DE102019104556A1 - Method and device for determining optical properties of a sample material - Google Patents

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Bernhard Schmauss
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100), bevorzugt ein Spektroskopieverfahren, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektroskopieverfahren, zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials (5), wobei das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst: Bestimmen (101) einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial (5) reflektiertem Licht (3r) eines ersten Polarisationszustands; Bestimmen (102) einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) eines zweiten Polarisationszustands (102); Verhältnisbildung (103) der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1), bevorzugt ein Spektrometer, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektrometer, zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials (5) umfassend zumindest eine Detektoreinrichtung (8, 8a, 8b) zur Bestimmung einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial (5) reflektiertem Licht (3r) eines ersten Polarisationszustands und zur Bestimmung einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) eines zweiten Polarisationszustands und zumindest eine Recheneinheit (11) zur Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt.

Figure DE102019104556A1_0000
The invention relates to a method (100), preferably a spectroscopy method, more preferably an ATR infrared spectroscopy method, for determining optical properties of a sample material (5), the method (100) comprising the following steps: determining (101) a first intensity of the Sample material (5) reflected light (3r) of a first polarization state; Determining (102) a second intensity of the light (3r) reflected by the sample material (5) in a second polarization state (102); Ratio formation (103) of the first intensity and the second intensity or vice versa. The invention also relates to a device (1), preferably a spectrometer, more preferably an ATR infrared spectrometer, for determining optical properties of a sample material (5) comprising at least one detector device (8, 8a, 8b) for determining a first intensity of the sample material (5) reflected light (3r) of a first polarization state and for determining a second intensity of the light (3r) reflected from the sample material (5) of a second polarization state and at least one arithmetic unit (11) for forming the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa .
Figure DE102019104556A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials.The invention relates to a method and a device for determining optical properties of a sample material.

Optische Eigenschaften eines Probenmaterials werden häufig mittels spektroskopischer Messverfahren, wie der Spektroskopie auf Basis der abgeschwächten und/oder frustrierten oder verhinderten Totalreflexion (engl. attenuated total reflection, ATR oder engl. frustrated total internal reflection, FTIR) bestimmt. Der Vorteil derartiger Spektroskopieverfahren liegt insbesondere darin, dass trotz einer starken Grundabsorption des Probenmaterials ein Absorptionsspektrum aufgenommen werden kann. Hierbei ist es bekannt, dass die Dämpfung der Lichtwelle an der Oberfläche zwischen einem ATR-Element und dem Probenmaterial für unterschiedliche Polarisationen der einfallenden Lichtwelle unterschiedlich stark ausfällt sowie dass die unterschiedlichen Polarisationen auch einen unterschiedlichen Phasenversatz aufweisen.Optical properties of a sample material are often determined by means of spectroscopic measuring methods such as spectroscopy on the basis of attenuated total reflection (ATR or frustrated total internal reflection, FTIR) on the basis of attenuated and / or frustrated or prevented total reflection. The advantage of such spectroscopic methods is in particular that an absorption spectrum can be recorded despite a strong basic absorption of the sample material. It is known that the attenuation of the light wave on the surface between an ATR element and the sample material is different for different polarizations of the incident light wave and that the different polarizations also have a different phase offset.

So ist beispielsweise aus der US 7,920,264 B1 ein HATR-Verfahren (engl. horizontal attenuated total reflecion, HATR) bekannt, welches den Phasenversatz für zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen zur Messung der Drehung der Polarisationsebene durch das Probenmaterial, also zur Polarimetrie, nutzt.For example, from the US 7,920,264 B1 a HATR method (horizontal attenuated total reflection, HATR) is known, which uses the phase offset for two different polarization directions to measure the rotation of the polarization plane through the sample material, i.e. for polarimetry.

Als Lichtquellen für derartige Spektroskopieverfahren werden häufig thermische Strahler, die zur Wellenlängenselektion mit einem Monochromator gefiltert werden, verwendet. Thermische Strahler haben jedoch den Nachteil, dass diese eine geringe spektrale Leistungsdichte aufweisen und daher eine geringe Intensität bei schmalbandiger Filterung. Alternativ werden bei den oben genannten Spektroskopieverfahren auch Laserquellen wie zum Beispiel Quantenkaskadenlaser verwendet. Diese stellen zwar sehr leistungsstarke Lichtquellen insbesondere im mittleren und fernen infraroten Wellenlängenbereich dar, weisen jedoch im Vergleich zu thermischen Strahlern ein hohes Intensitätsrauschen auf, so dass insbesondere bei Probenmaterial mit geringen Konzentrationen des zu untersuchenden Stoffes die Empfindlichkeit reduziert wird und diese daher nicht mehr gemessen werden können. Auch ist die Leistungsdichte dieser Lichtquellen über die Wellenlänge nicht konstant, so dass das gemessene Spektrum mit einer Referenzmessung, insbesondere ohne oder mit bekannten Probenmaterial, verglichen werden muss. Hierbei ist es möglich, die Referenzmessung direkt durch einen zusätzlichen optischen Pfad simultan zu erfassen und vom Messsignal zu subtrahieren (engl. balanced detection). Nachteilig an einem solchen zusätzlichen Referenzpfad ist, dass dieser ebenfalls eine wellenabhängige Transmission besitzen könnte und zudem anderen Fluktuationen als der Messpfad unterliegt. Auch sollte der Referenzpfad bevorzugt eine ähnliche Dämpfung wie der Messpfad aufweisen.Thermal emitters, which are filtered with a monochromator for wavelength selection, are often used as light sources for such spectroscopic methods. However, thermal radiators have the disadvantage that they have a low spectral power density and therefore a low intensity with narrow-band filtering. Alternatively, laser sources such as quantum cascade lasers are also used in the above-mentioned spectroscopic methods. Although these represent very powerful light sources, especially in the middle and far infrared wavelength range, they have a high intensity noise compared to thermal radiators, so that the sensitivity is reduced, especially in the case of sample material with low concentrations of the substance to be examined, and these are therefore no longer measured can. The power density of these light sources is also not constant over the wavelength, so that the measured spectrum has to be compared with a reference measurement, in particular without or with known sample material. Here it is possible to record the reference measurement simultaneously directly through an additional optical path and to subtract it from the measurement signal (balanced detection). The disadvantage of such an additional reference path is that it could also have a wave-dependent transmission and is also subject to fluctuations other than the measurement path. The reference path should also preferably have attenuation similar to that of the measurement path.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere liegt der Erfindung auch die Aufgabenstellung zugrunde ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials bereitzustellen, welche vorteilhafterweise die Auswirkungen des Intensitätsrauschens von Lichtquellen verringert bzw. unterdrückt und/oder eliminiert.The invention is based on the object of providing a method and a device for determining optical properties of a sample material which avoid the disadvantages of the prior art. In particular, the invention is also based on the object of providing an improved method and an improved device for determining optical properties of a sample material, which advantageously reduces or suppresses and / or eliminates the effects of the intensity noise of light sources.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, bevorzugt ein Spektroskopieverfahren, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektroskopieverfahren, zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials gelöst, welches folgende Schritte umfasst: a) Bestimmen einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial reflektiertem Licht eines ersten Polarisationszustands; b) Bestimmen einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts eines zweiten Polarisationszustands; c) Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt. Diese Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Vorrichtung, bevorzugt ein Spektrometer, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektrometer, zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials umfassend: - zumindest eine Detektoreinrichtung zur Bestimmung einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial reflektiertem Lichts eines ersten Polarisationszustands und zur Bestimmung einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts eines zweiten Polarisationszustands; - zumindest eine Recheneinheit zur Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt.This object is achieved by a method, preferably a spectroscopy method, more preferably an ATR infrared spectroscopy method, for determining optical properties of a sample material, which comprises the following steps: a) determining a first intensity of light of a first polarization state reflected from the sample material; b) determining a second intensity of the light of a second polarization state reflected by the sample material; c) Formation of the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa. This object is further achieved by a device, preferably a spectrometer, more preferably an ATR infrared spectrometer, for determining optical properties of a sample material, comprising: at least one detector device for determining a first intensity of light of a first polarization state reflected by the sample material and for determining a second intensity of the light of a second polarization state reflected from the sample material; - At least one arithmetic unit for forming the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa.

Insbesondere wird mittels der Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren, bevorzugt nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt. So ist es möglich, wenn die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dient. Weiter ist es von Vorteil, wenn der Schritt c) nach den Schritten a) und b) durchgeführt wird.In particular, the method according to the invention, preferably according to one of claims 1 to 12, is carried out by means of the device. It is thus possible if the device is used to carry out a method according to one of Claims 1 to 12. It is also advantageous if step c) is carried out after steps a) and b).

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Bestimmen einer ersten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts eines ersten Polarisationszustands, durch das Bestimmen einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts eines zweiten Polarisationszustands und durch die anschließende Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt die Auswirkungen des Intensitätsrauschens von Lichtquellen auf das Messergebnis verringert bzw. unterdrückt und/oder eliminiert werden. Die Erfindung nutzt dabei die Polarisationsabhängigkeit des von dem Probenmaterial reflektierten, insbesondere des an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und einem Reflexionselement reflektierten Lichts, aus, wobei insbesondere die unterschiedlichen Polarisationen des reflektierten Lichts unterschiedlich starke relative Änderungen der Reflexion aufweisen. Hierbei hat sich überraschenderweise ergeben, dass daher trotz der Verhältnisbildung der Intensitäten des reflektierten Lichts der beiden Polarisationszustände ein Signal bestehen bleibt, wobei gleichzeitig insbesondere das Intensitätsrauschen der verwendeten Lichtquelle nicht in das endgültige Signal eingeht. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit eines Referenzpfades. Auch gehen Fluktuationen, welche durch den Messaufbau selbst bedingt sind, nicht in das Signal ein, insbesondere solange diese sich in gleicher Weise auf beide Polarisationszustände auswirken.The invention is based on the knowledge that by determining a first intensity of the light reflected by the sample material of a first polarization state, by determining a second intensity of the light reflected by the sample material of a second polarization state and by subsequently forming the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa the effects of the Intensity noise from light sources on the measurement result can be reduced or suppressed and / or eliminated. The invention uses the polarization dependency of the light reflected from the sample material, in particular that formed at the interface from the sample material and a reflection element, with in particular the different polarizations of the reflected light having relative changes in the reflection of different degrees. It has surprisingly been found here that, despite the formation of the ratio of the intensities of the reflected light of the two polarization states, a signal remains, with the intensity noise of the light source used not being included in the final signal. This eliminates the need for a reference path. Fluctuations, which are caused by the measurement setup itself, are also not included in the signal, in particular as long as they affect both polarization states in the same way.

Unter „Polarisationszustand“, „Polarisationsart“, „Polarisationsrichtung“, „Polarisationsgrad“ und/oder „Polarisation“ wird hierbei bevorzugt die Schwingungsrichtung von Licht verstanden. Insbesondere im Wellenmodell ist Licht vorzugsweise eine senkrecht zur ihrer Ausbreitungsrichtung schwingende Welle, insbesondere also eine Transversalwelle, so dass hier unter diesen Begriffen bevorzugt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle verstanden wird. Bevorzugt bezieht sich die Schwingungsrichtung auf den Feldvektor des elektrischen Feldes, insbesondere wobei der Feldvektor des magnetischen Feldes entsprechend senkrecht dazu schwingt. Insbesondere wenn sich die Schwingungsrichtung schnell und ungeordnet ändert, handelt es sich vorzugsweise um unpolarisiertes Licht. Die Begriffe „Polarisationszustand“, „Polarisationsart“, „Polarisationsrichtung“, „Polarisationsgrad“ und/oder „Polarisation“ geben daher insbesondere den geordneten Anteil an.“State of polarization”, “type of polarization”, “direction of polarization”, “degree of polarization” and / or “polarization” are preferably understood to mean the direction of oscillation of light. In particular in the wave model, light is preferably a wave oscillating perpendicular to its direction of propagation, in particular a transverse wave, so that these terms are preferably understood here to mean the direction of oscillation of a transverse wave. The direction of oscillation preferably relates to the field vector of the electric field, in particular the field vector of the magnetic field oscillating perpendicular thereto. In particular, if the direction of oscillation changes quickly and in a disorderly manner, it is preferably unpolarized light. The terms “state of polarization”, “type of polarization”, “direction of polarization”, “degree of polarization” and / or “polarization” therefore particularly indicate the ordered proportion.

Weiter ist es möglich, dass das Verfahren, bevorzugt ein Spektroskopieverfahren, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektroskopieverfahren, ein HATR-Infrarotspektroskopieverfahren, ein FEWS-Infrarotspektroskopieverfahren (engl. fibre evanescent wave spectroscopy, FEWS) und/oder ein FTIR- Infrarotspektroskopieverfahren, ist. Ebenso ist es möglich, dass die Vorrichtung, bevorzugt ein Spektrometer, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektrometer, ein HATR-Infrarotspektrometer, ein FEWS-Infrarotspektrometer und/oder ein FTIR-Infrarotspektrometer, ist.It is also possible that the method, preferably a spectroscopy method, more preferably an ATR infrared spectroscopy method, a HATR infrared spectroscopy method, a FEWS infrared spectroscopy method (English fiber evanescent wave spectroscopy, FEWS) and / or an FTIR infrared spectroscopy method. It is also possible that the device is preferably a spectrometer, more preferably an ATR infrared spectrometer, a HATR infrared spectrometer, a FEWS infrared spectrometer and / or an FTIR infrared spectrometer.

Es ist möglich, dass das Probenmaterial flüssig und/oder fest ist. So ist es möglich, dass das Probenmaterial beispielsweise Wasser, Bakterien und/oder Feststoffe umfasst. Ferner ist es denkbar, dass das Probenmaterial einen oder mehrere Stoffe ausgewählt aus der Gruppe: Wasser, Bakterien, Viren, Feststoffe, Lösungsmittel, Lösungsmittelmischungen, Lackschichten, Polymerfolien, Duroplasten, Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, ein- oder mehrzellige Organismen, Pilze, Pflanzen, insbesondere Algen, umfasst.It is possible that the sample material is liquid and / or solid. It is thus possible for the sample material to include, for example, water, bacteria and / or solids. Furthermore, it is conceivable that the sample material contains one or more substances selected from the group: water, bacteria, viruses, solids, solvents, solvent mixtures, lacquer layers, polymer films, thermosetting plastics, body fluids, in particular blood, mono- or multicellular organisms, fungi, plants, in particular algae.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bezeichnet.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter folgenden Schritt, insbesondere welcher vor den Schritten a) und b) durchgeführt wird: - Aufteilen des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts in den ersten Polarisationszustand und den zweiten Polarisationszustand, bevorzugt mittels zumindest eines Polarisators, weiter bevorzugt mittels eines ersten Polarisators und eines zweiten Polarisators.The method preferably further comprises the following step, in particular which is carried out before steps a) and b): splitting the light reflected from the sample material into the first polarization state and the second polarization state, preferably by means of at least one polarizer, more preferably by means of a first polarizer and a second polarizer.

Auch ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung weiter zumindest einen Polarisator aufweist, insbesondere zum Aufteilen des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts in den ersten Polarisationszustand und den zweiten Polarisationszustand, insbesondere dass die Vorrichtung einen ersten Polarisator zum Aufteilen des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts in den ersten Polarisationszustand und einen zweiten Polarisator zum Aufteilen des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts in den zweiten Polarisationszustand aufweist.It is also advantageous if the device further has at least one polarizer, in particular for dividing the light reflected from the sample material into the first polarization state and the second polarization state, in particular that the device has a first polarizer for dividing the light reflected from the sample material into the first polarization state and a second polarizer for splitting the light reflected from the sample material into the second polarization state.

Unter „Polarisator(en)“ werden bevorzugt Bauteile verstanden, welche elektromagnetische Wellen, insbesondere Licht, wie beispielsweise Licht aus dem infraroten Wellenlängenbereich, einer bestimmten Polarisation aus nicht, teilweise oder anders polarisierten elektromagnetischen Wellen herausfiltern. Hierbei ist es möglich, dass Polarisatoren dabei insbesondere Mechanismen ausgewählt aus der Gruppe: Dichroismus, Reflexion, Doppelbrechung, Streuung und/oder Beugung, nutzen, um die unterschiedlichen Polarisationen der einfallenden Wellen zu trennen. Beispielsweise werden insbesondere Polarisatoren, die eine linear polarisierte elektromagnetische Welle abtrennen, Linearpolarisatoren, oder auch lineare Polarisatoren, genannt. Ferner werden beispielsweise Polarisatoren, die zirkular polarisiertes Licht abtrennen, als Zirkularpolarisatoren bezeichnet.“Polarizer (s)” are preferably understood to mean components which filter out electromagnetic waves, in particular light such as light from the infrared wavelength range, of a certain polarization from non-polarized, partially or differently polarized electromagnetic waves. It is possible here for polarizers to use mechanisms selected from the group: dichroism, reflection, birefringence, scattering and / or diffraction in order to separate the different polarizations of the incident waves. For example, polarizers that separate a linearly polarized electromagnetic wave, linear polarizers, or also linear polarizers, are mentioned in particular. Furthermore, for example, polarizers that separate circularly polarized light are referred to as circular polarizers.

Vorteilhafterweise ist der zumindest eine Polarisator, insbesondere der erste Polarisator und der zweite Polarisator, ausgewählt aus der Gruppe: Polarisator basierend auf Doppelbrechung, bevorzugt Polarisationsprisma, weiter bevorzugt Nicolsches Prisma, Rochon-Prisma, Glan-Thomson-Prisma, Polarisator basierend auf Dichroismus, bevorzugt J-Folie und/oder H-Folie, und/oder Polarisator basierend auf Reflexion, bevorzugt Brewster-Fenster.The at least one polarizer, in particular the first polarizer and the second polarizer, is advantageously selected from the group: polarizer based on birefringence, preferably polarizing prism, more preferably Nicol's prism, Rochon prism, Glan-Thomson prism, polarizer based on dichroism, preferred J-foil and / or H-foil, and / or polarizer based on reflection, preferably Brewster window.

Vorzugsweise ist der zumindest eine Polarisator, insbesondere der erste Polarisator und der zweite Polarisator, ein Brewster-Fenster. Hierdurch ist es möglich, den ersten und den zweiten Polarisationszustand des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts zu trennen, insbesondere wobei sichergestellt ist, dass weitere Polarisationszustände das Messergebnis nicht störend beeinflussen. The at least one polarizer, in particular the first polarizer and the second polarizer, is preferably a Brewster window. This makes it possible to separate the first and the second polarization state of the light reflected from the sample material, in particular it is ensured that further polarization states do not interfere with the measurement result.

Weiter ist es von Vorteil, wenn sich der erste und zweite Polarisationszustand unterscheiden, insbesondere wenn der erste und der zweite Polarisationszustand linear polarisierte Zustände mit zueinander senkrechter Schwingungsebene sind, wobei vorzugsweise der erste Polarisationszustand parallel polarisiertes Licht und der zweite Polarisationszustand senkrecht polarisiertes Licht ist oder umgekehrt. Hierdurch ist es möglich, ein maximal mögliches Signal, bevorzugt für das Verhältnis der ersten Intensität und der zweiten Intensität zu erhalten, insbesondere wobei sich diese Polarisationszustände ferner auch gut mittels oben genannter Polarisatoren trennen lassen.It is also advantageous if the first and second polarization states differ, in particular if the first and second polarization states are linearly polarized states with mutually perpendicular oscillation planes, the first polarization state preferably being parallel polarized light and the second polarization state being perpendicularly polarized light or vice versa . This makes it possible to obtain a maximum possible signal, preferably for the ratio of the first intensity and the second intensity, in particular wherein these polarization states can also be separated well by means of the polarizers mentioned above.

Auch ist es möglich, dass in den Schritten a) und/oder b) die Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustand mittels zumindest einer Detektoreinrichtung bestimmt wird, insbesondere dass in den Schritten a) und/oder b) die Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts des ersten Polarisationszustands mittels einer ersten Detektoreinrichtung und die Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts des zweiten Polarisationszustand mittels einer zweiten Detektoreinrichtung bestimmt wird.It is also possible that in steps a) and / or b) the intensity of the light of the first and / or second polarization state reflected by the sample material is determined by means of at least one detector device, in particular that in steps a) and / or b ) the intensity of the light of the first polarization state reflected by the sample material is determined by means of a first detector device and the intensity of the light of the second polarization state reflected by the sample material is determined by means of a second detector device.

So ist es auch möglich, dass die Vorrichtung eine erste Detektoreinrichtung zur Bestimmung der ersten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts des ersten Polarisationszustands und eine zweite Detektoreinrichtung zur Bestimmung der zweiten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts des zweiten Polarisationszustands aufweist.It is also possible for the device to have a first detector device for determining the first intensity of the light of the first polarization state reflected from the sample material and a second detector device for determining the second intensity of the light of the second polarization state reflected from the sample material.

Bevorzugt ist hierbei die zumindest eine Detektoreinrichtung, insbesondere die erste und/oder die zweite Detektoreinrichtung, ein Photodetektor ausgewählt aus der Gruppe: Photozelle, Photomultiplier, Mikrokanalplatten-Photomultiplier, CMOS-Sensor, CCD-Sensor, Photodiode, Phototransistor, Photowiderstand, und/oder thermischer Strahlungsmesser, insbesondere Bolometer, pyroelektrischer Sensor, Pyrometer, Thermoelement und/oder Golay-Zelle. The at least one detector device, in particular the first and / or the second detector device, is preferably a photodetector selected from the group: photocell, photomultiplier, microchannel plate photomultiplier, CMOS sensor, CCD sensor, photodiode, phototransistor, photoresistor, and / or thermal radiation meter, in particular bolometer, pyroelectric sensor, pyrometer, thermocouple and / or Golay cell.

Insbesondere bei geringem zu detektierendem Licht und hoher zeitlicher Auflösungen kommen bevorzugt Photomultiplier oder Photodioden, wie beispielsweise eine HgCdTe-Photodiode, zum Einsatz.Photomultipliers or photodiodes, such as an HgCdTe photodiode, are preferably used, particularly when there is little light to be detected and high temporal resolutions.

Ferner ist es möglich, dass die zumindest eine Detektoreinrichtung, insbesondere dass die erste und/oder die zweite Detektoreinrichtung, ein Synchrondetektor (lock-in) ist. Hierdurch ist es möglich, die Rauschunterdrückung weiter zu verbessern bzw. das Rauschen weiter filtern.Furthermore, it is possible for the at least one detector device, in particular the first and / or the second detector device, to be a synchronous detector (lock-in). This makes it possible to further improve the noise suppression or to filter the noise further.

Es ist zweckmäßig, wenn das Verfahren weiter folgenden Schritt aufweist, insbesondere welcher vor den Schritten a) und b) durchgeführt wird: - Einstrahlen von Licht auf das Probenmaterial durch ein Reflexionselement derart, dass das Licht an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement reflektiert wird, insbesondere total reflektiert wird.It is useful if the method further has the following step, in particular which is carried out before steps a) and b): Radiation of light onto the sample material through a reflection element in such a way that the light is formed at the interface from the sample material and the reflection element is reflected, in particular is totally reflected.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem von dem Probenmaterial reflektiertem Licht, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, um das Licht, welches an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement reflektiert wird, insbesondere total reflektiert wird. So ist es von Vorteil, wenn das an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement reflektierte Licht das von dem Probenmaterial reflektierte Licht, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, ist. So ist es vorteilhaft, wenn das von dem Probenmaterial reflektierte Licht dem an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement reflektierten Licht entspricht bzw. mit diesem identisch ist.The light reflected by the sample material, in particular of the first and / or the second polarization state, is preferably the light that is reflected, in particular totally reflected, at the interface formed by the sample material and the reflection element. It is therefore advantageous if the light reflected from the sample material and the reflection element at the interface is the light reflected from the sample material, in particular the first and / or the second polarization state. It is advantageous if the light reflected from the sample material corresponds to the light reflected at the interface from the sample material and the reflection element or is identical to it.

Bevorzugt wird hierbei das Licht derart auf das Probenmaterial durch das Reflexionselement eingestrahlt, dass sich eine elektromagnetische Welle an der Oberfläche des Reflexionselements ausbildet, welche in das Probenmaterial eindringt, insbesondere wobei die Feldstärke der elektromagnetischen Welle exponentiell abnimmt. Bevorzugt handelt es sich bei der elektromagnetischen Welle an der Oberfläche des Reflexionselements, insbesondere deren Feldstärke exponentiell abnimmt, um eine sog. abklingende (evaneszente) Welle, welche vorzugsweise bei Totalreflexion an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement entsteht.In this case, the light is preferably radiated onto the sample material through the reflection element in such a way that an electromagnetic wave is formed on the surface of the reflection element and penetrates the sample material, in particular with the field strength of the electromagnetic wave decreasing exponentially. The electromagnetic wave on the surface of the reflection element, in particular the field strength of which decreases exponentially, is a so-called evanescent wave, which is preferably formed from the sample material and the reflection element during total reflection at the interface.

So ist es möglich, dass, insbesondere innerhalb des Reflexionselements, der Winkel (α), unter welchem das Licht auf das Probenmaterial eingestrahlt wird, gleich dem Winkel (β) ist, unter welchem das Licht von dem Probenmaterial reflektiert wird.It is thus possible that, in particular within the reflection element, the angle (α) at which the light is irradiated onto the sample material is equal to the angle (β) at which the light is reflected from the sample material.

Hierbei ist es möglich, dass, insbesondere innerhalb des Reflexionselements, der Winkel (α), unter welchem das Licht auf das Probenmaterial eingestrahlt wird, und der Winkel (β), unter welchem das Licht von dem Probenmaterial reflektiert wird, zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 10° und 85°, beträgt.Here it is possible that, in particular within the reflection element, the angle (α) at which the light is irradiated onto the sample material and the angle (β) at which the light is reflected from the sample material, between 0 ° and 90 °, preferably between 10 ° and 85 °.

Auch ist es von Vorteil, wenn der Brechungsindex des Reflexionselements (n1) größer ist als der Brechungsindex des Probenmaterials (n2).It is also advantageous if the refractive index of the reflective element (n 1 ) is greater than the refractive index of the sample material (n 2 ).

So ist es möglich, dass der Brechungsindex des Reflexionselements (n1) zwischen 2,0 und 4,0, bevorzugt zwischen 2,4 und 2,6, beträgt und/oder dass der Brechungsindex des Probenmaterials (n2) zwischen 1,05 und 1,95, bevorzugt zwischen 1,25 und 1,75, beträgt.It is thus possible that the refractive index of the reflection element (n 1 ) is between 2.0 and 4.0, preferably between 2.4 and 2.6, and / or that the refractive index of the sample material (n 2 ) is between 1.05 and 1.95, preferably between 1.25 and 1.75.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Winkel (α) größer oder gleich dem Winkel ist, für welchen Totalreflexion an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement, insbesondere für das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht, auftritt.Furthermore, it is useful if the angle (α) is greater than or equal to the angle for which total reflection occurs at the interface formed from the sample material and the reflection element, in particular for the light irradiated on the sample material.

Insbesondere wird der Grenzwinkel (Θc), ab welchem Totalreflexion auftritt, wie folgt berechnet: Θ c = arcsin ( n 2 / n 1 ) .

Figure DE102019104556A1_0001
In particular, the critical angle (Θ c ) from which total reflection occurs is calculated as follows: Θ c = arcsin ( n 2 / n 1 ) .
Figure DE102019104556A1_0001

Der Grenzwinkel (Θc) wird hierbei insbesondere auch als kritischer Winkel bezeichnet. Ab dem kritischen Winkel (Θc) kann bevorzugt die elektromagnetische Welle, insbesondere das eingestrahlte Licht, nicht mehr in das optisch dünnere Medium, insbesondere das Probenmaterial eindringen, und wird stattdessen an der Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren und dem optisch dünneren Medium, insbesondere an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement, reflektiert, insbesondere total reflektiert. Insbesondere ist hierbei der Ausfallswinkel gleich dem Einfallswinkel.The critical angle (Θ c ) is also referred to here in particular as the critical angle. From the critical angle (Θ c ), the electromagnetic wave, in particular the irradiated light, can preferably no longer penetrate the optically thinner medium, in particular the sample material, and is instead at the interface between the optically denser and the optically thinner medium, in particular on the interface formed from the sample material and the reflection element, reflected, in particular totally reflected. In particular, the angle of reflection is the same as the angle of incidence.

So ist es möglich, dass das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht, insbesondere aufgrund des Winkels (α), unter welchem das Licht auf das Probenmaterial eingestrahlt wird, in dem Probenmaterial nicht ausbreitungsfähig ist.It is thus possible that the light irradiated onto the sample material, in particular due to the angle (α) at which the light is irradiated onto the sample material, is unable to propagate in the sample material.

Vorteilhafterweise ist das Reflexionselement ein Lichtwellenleiter, insbesondere ein Lichtwellenleiter, in welchem Licht aufgrund von Totalreflexion geführt wird. Beispielsweise ist ein derartiger Lichtwellenleiter ein Prisma oder eine Faser, insbesondere ohne Mantel.The reflection element is advantageously an optical waveguide, in particular an optical waveguide, in which light is guided due to total reflection. For example, such an optical waveguide is a prism or a fiber, in particular without a jacket.

Vorzugsweise ist das Reflexionselement ein ATR-Element, insbesondere ein ATR-Kristall.The reflection element is preferably an ATR element, in particular an ATR crystal.

So ist es möglich, dass das Reflexionselement, bevorzugt das ATR-Element, weiter bevorzugt der ATR-Kristall, Zinkselenid (ZnSe), Germanium (Ge), Thalliumbromidiodid (KRS-5), Silicium (Si), AMTIR (amorphous material transmitting infrared radiation), insbesondere AMTIR-1 (GeAsSe), und/oder Diamant umfasst. Derartige Materialien eignen sich bevorzugt für Licht aus dem infraroten Wellenlängenbereich.So it is possible that the reflection element, preferably the ATR element, more preferably the ATR crystal, zinc selenide (ZnSe), germanium (Ge), thallium bromide iodide (KRS-5), silicon (Si), AMTIR (amorphous material transmitting infrared radiation), in particular AMTIR-1 (GeAsSe), and / or diamond. Such materials are preferably suitable for light from the infrared wavelength range.

Ferner ist es auch denkbar, dass insbesondere bei FEWS-Infrarotspektroskopieverfahren und/oder in einem FEWS-Infrarotspektrometer das ATR-Element Chalkogenidglas-Fasern umfasst.Furthermore, it is also conceivable that, in particular in the case of FEWS infrared spectroscopy methods and / or in a FEWS infrared spectrometer, the ATR element comprises chalcogenide glass fibers.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht unpolarisiertes Licht ist, bevorzugt wenn das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht eine Polarisation unter 45° zur Einfallsebene aufweist. Hierdurch wird insbesondere eine gleichmäßige Anregung in senkrechter und paralleler Polarisation erreicht.It is also useful if the light irradiated onto the sample material is unpolarized light, preferably when the light irradiated onto the sample material has a polarization of less than 45 ° to the plane of incidence. In this way, in particular, uniform excitation in perpendicular and parallel polarization is achieved.

Vorteilhafterweise ist das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht Licht aus dem infraroten Wellenlängenbereich, bevorzugt aus dem nahen und/oder dem mittleren und/oder dem fernen Infrarotbereich, weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1000 µm, noch weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 2,5 µm und 25 µm, ferner noch weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 8 µm und 12 µm.The light irradiated onto the sample material is advantageously light from the infrared wavelength range, preferably from the near and / or the middle and / or the far infrared range, more preferably light from the wavelength range between 0.8 μm and 1000 μm, even more preferably light from the wavelength range between 2.5 µm and 25 µm, furthermore preferably light from the wavelength range between 8 µm and 12 µm.

Zweckmäßigerweise wird das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht von einer Lichtquelle abgestrahlt, insbesondere wobei die Lichtquelle ausgewählt ist aus der Gruppe: Laser, bevorzugt Halbleiterlaser, weiter bevorzugt Quantenkaskadenlaser (QCL), und/oder thermische Strahler, bevorzugt Glühlampe, Nernstlampe, Widerstands-Heizelemente aus Siliziumcarbid oder Kohlenbogenlampe. Hierbei ist es auch möglich, andere Lichtquellen zu verwenden. Insbesondere unterliegt das Verfahren und/oder die Vorrichtung zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials keiner Einschränkung bezüglich der verwendeten Lichtquellen.The light radiated onto the sample material is expediently emitted by a light source, in particular where the light source is selected from the group: lasers, preferably semiconductor lasers, more preferably quantum cascade lasers (QCL), and / or thermal emitters, preferably incandescent lamps, Nernst lamps, resistance heating elements Silicon carbide or carbon arc lamp. It is also possible to use other light sources. In particular, the method and / or the device for determining optical properties of a sample material is not subject to any restriction with regard to the light sources used.

Weiter ist es auch zweckmäßig, wenn die Vorrichtung weiter eine der folgenden Einheiten umfasst: - eine Lichtquelle, insbesondere zum Einstrahlen von Licht auf das Probenmaterial durch ein Reflexionselement derart, dass das Licht an einer Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement reflektiert wird, insbesondere total reflektiert wird; - ein Reflexionselement, bevorzugt ein ATR-Element, weiter bevorzugt ein ATR-Kristall, insbesondere wobei das Probenmaterial eine Grenzfläche mit dem Reflexionselement ausbildet; - eine Fixierungseinheit zum Fixieren des Probenmaterials auf dem Reflexionselement; - einen oder mehrere Lichtwellenleiter, bevorzugt ein oder mehrere Fasern, weiter bevorzugt ein oder mehrere Glasfasern, insbesondere zum bereichsweise Führen des auf das Probenmaterial eingestrahlten Lichts und/oder des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts; - ein oder mehrere Spiegel, insbesondere zum Umlenken des Lichts; - zumindest einen optischen Sumpf; - einen oder mehrere Wellenlängenselektoren, bevorzugt einen oder mehrere Monochromatoren, insbesondere zur spektralen Isolierung einer vorbestimmten Wellenlänge, vorzugsweise des auf das Probenmaterial eingestrahlten Lichts.It is also expedient if the device further comprises one of the following units: a light source, in particular for irradiating light onto the sample material through a reflection element in such a way that the light is reflected at an interface formed from the sample material and the reflection element, in particular is totally reflected; a reflection element, preferably an ATR element, more preferably an ATR crystal, in particular wherein the sample material forms an interface with the reflection element; a fixing unit for fixing the sample material on the reflective element; - one or more optical waveguides, preferably one or more fibers, more preferably one or more glass fibers, in particular for guiding the light irradiated onto the sample material and / or the light reflected from the sample material; - One or more mirrors, in particular for deflecting the light; - at least one optical sump; one or more wavelength selectors, preferably one or more monochromators, in particular for the spectral isolation of a predetermined wavelength, preferably the light irradiated onto the sample material.

Auch ist es möglich, wenn das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht und/oder das von dem Probenmaterial reflektierte Licht, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, ein Lichtstrahl ist, bevorzugt wobei der Lichtstrahl zumindest bereichsweise einen Strahldurchmesser zwischen 10 µm und 10000 µm aufweist.It is also possible if the light irradiated onto the sample material and / or the light reflected from the sample material, in particular the first and / or the second polarization state, is a light beam, preferably the light beam having a beam diameter between 10 μm and 10,000 μm at least in some areas having.

Weiter ist es auch möglich, dass das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht und/oder das von dem Probenmaterial reflektierte Licht, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, zumindest bereichsweise in einem Lichtwellenleiter, bevorzugt in einer Faser, noch weiter bevorzugt in einer Glasfaser, geführt wird.Furthermore, it is also possible that the light irradiated onto the sample material and / or the light reflected from the sample material, in particular of the first and / or the second polarization state, at least regionally in an optical waveguide, preferably in a fiber, even more preferably in a glass fiber , to be led.

Es ist von Vorteil, wenn in dem Schritt c) aufgrund der Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt die Auswirkungen des Intensitätsrauschens der Lichtquelle, insbesondere auf das Messergebnis, verringert werden, bevorzugt eliminiert werden.It is advantageous if in step c) the effects of the intensity noise of the light source, in particular on the measurement result, are reduced, preferably eliminated, due to the formation of the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa.

So ist es möglich, dass die Auswirkungen des Intensitätsrauschens der Lichtquelle, insbesondere auf das Messergebnis, mindestens um den Faktor 2,5, bevorzugt um den Faktor 5, weiter bevorzugt um den Faktor 10, noch weiter bevorzugt um den Faktor 50, ferner noch weiter bevorzugt um den Faktor 100, verringert werden.It is thus possible that the effects of the intensity noise of the light source, in particular on the measurement result, by at least a factor of 2.5, preferably by a factor of 5 , more preferably by the factor 10 , even more preferably by the factor 50 , furthermore preferably by the factor 100 , be reduced.

Es ist auch zweckmäßig, wenn zumindest die Schritte a) bis c) für Licht aus dem infraroten Wellenlängenbereich, bevorzugt aus dem nahen und/oder dem mittleren und/oder dem fernen Infrarotbereich, weiter bevorzugt für Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1000 µm, noch weiter bevorzugt für Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 2,5 µm und 25 µm, ferner noch weiter bevorzugt für Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 8 µm und 12 µm, durchgeführt werden.It is also useful if at least steps a) to c) for light from the infrared wavelength range, preferably from the near and / or the middle and / or the far infrared range, more preferably for light from the wavelength range between 0.8 μm and 1000 µm, even more preferably for light from the wavelength range between 2.5 µm and 25 µm, and even more preferably for light from the wavelength range between 8 µm and 12 µm.

Ferner ist es bevorzugt, dass die Lichtpfade in Schritt a) und b), insbesondere für das von dem Probenmaterial reflektierte Licht des ersten und des zweiten Polarisationszustands, im Wesentlichen identisch sind. So ist es auch möglich, dass die Lichtpfade in Schritt a) und b), insbesondere für das von dem Probenmaterial reflektierte Licht des ersten und des zweiten Polarisationszustands, identisch sind. Hierdurch wird es insbesondere erreicht, dass sich Fluktuationen auf beide Messpfade gleichermaßen auswirken.Furthermore, it is preferred that the light paths in step a) and b), in particular for the light of the first and second polarization states reflected by the sample material, are essentially identical. It is thus also possible for the light paths in step a) and b) to be identical, in particular for the light of the first and second polarization states reflected from the sample material. In particular, this ensures that fluctuations have the same effect on both measurement paths.

Weiter ist es möglich, dass sich die Lichtpfade in Schritt a) und b) um weniger als 10 mm, bevorzugt um weniger als 1 mm, unterscheiden. Insbesondere entstehen derartige geringe Unterschiede in den Lichtpfaden aufgrund des Messaufbaus mit einer ersten und einer zweiten Detektoreinrichtung, so dass insbesondere am Ende der Messtrecke geringe Unterschiede in den Lichtpfaden entstehen können.It is also possible for the light paths in step a) and b) to differ by less than 10 mm, preferably by less than 1 mm. In particular, such small differences arise in the light paths due to the measurement setup with a first and a second detector device, so that small differences can arise in the light paths particularly at the end of the measurement section.

Vorzugsweise erfolgen die Schritte a) und b) simultan, insbesondere werden die Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts des ersten und des zweiten Polarisationszustands simultan bestimmt. Hierdurch wird es insbesondere ermöglicht, dass die Notwendigkeit einer zusätzlichen Referenzmessung entfällt. Weiter wird hierdurch insbesondere ein exaktes Messergebnis erzielt, da mögliche Unterschiede zwischen den Signalen, welche aufgrund von zeitlich versetzten Messungen entstehen können, eliminiert werden.Steps a) and b) preferably take place simultaneously, in particular the intensity of the light of the first and second polarization states reflected by the sample material is determined simultaneously. This makes it possible in particular that there is no need for an additional reference measurement. Furthermore, an exact measurement result is achieved in this way, since possible differences between the signals, which can arise due to measurements that are offset in time, are eliminated.

Ferner ist es möglich, dass oben beschriebene Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und/oder die oben beschriebene Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 13 bis 15, für die Spektralanalyse, insbesondere des Probenmaterials, anzuwenden. Bevorzugt basiert die Spektralanalyse, insbesondere des Probenmaterials, auf der Totalreflexion, vorzugsweise der frustrierten Totalreflexion.It is also possible to use the method described above, in particular according to one of Claims 1 to 12, and / or the device described above, in particular according to one of Claims 13 to 15, for the spectral analysis, in particular of the sample material. The spectral analysis, in particular of the sample material, is preferably based on total reflection, preferably frustrated total reflection.

So ist es auch möglich, dass das oben beschriebene Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und/oder die oben beschriebene Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 13 bis 15, zur bzw. für die Unterdrückung des Intensitätsrauschens von Lichtquellen, insbesondere bei der Spektralanalyse, verwendet wird.So it is also possible that the method described above, in particular according to one of claims 1 to 12, and / or the device described above, in particular according to one of claims 13 to 15, for or for the suppression of the intensity noise of light sources, in particular in spectral analysis.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung exemplarisch unter Zuhilfenahme der beiliegenden, nicht maßstabgetreuen 2 bis 7 erläutert.

  • 1 zeigt schematisch einen bekannten Messaufbau in Draufsicht
  • 2a und 2b zeigen schematisch eine Vorrichtung in Seitenansicht und in Draufsicht
  • 3a zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der 2a
  • 3b zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der 3a
  • 4a bis 4c zeigen Diagramme
  • 5a bis 5c zeigen schematisch Vorrichtungen in Seitenansicht und in Draufsicht
  • 6 und 7 zeigen schematisch Verfahrensschritte zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials
In the following, exemplary embodiments of the invention are exemplified with the aid of the enclosed, not to scale 2 to 7th explained.
  • 1 shows schematically a known measurement setup in plan view
  • 2a and 2 B show schematically a device in side view and in plan view
  • 3a shows schematically an enlarged section of FIG 2a
  • 3b shows schematically an enlarged section of FIG 3a
  • 4a to 4c show diagrams
  • 5a to 5c show schematically devices in side view and in plan view
  • 6th and 7th schematically show method steps for determining optical properties of a sample material

1 zeigt schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten Messaufbau 1000 in Draufsicht. Bevorzugt werden mittels des Messaufbaus 1000 die optischen Eigenschaften eines Probenmaterials 5 bestimmt. 1 shows schematically a measurement setup known from the prior art 1000 in plan view. Preference is given by means of the measurement setup 1000 the optical properties of a sample material 5 certainly.

Wie in 1 gezeigt, umfasst der Messaufbau 1000 eine Lichtquelle 2, einen Strahlenteiler 4, das Probenmaterial 5, einen Spiegel 6, ein variables Dämpfungsglied 7 und zwei Detektoren 8a und 8b.As in 1 shown includes the measurement setup 1000 a light source 2 , a beam splitter 4th , the sample material 5 , a mirror 6th , a variable attenuator 7th and two detectors 8a and 8b .

Als Lichtquelle 2 werden insbesondere thermische Strahler, die zur Wellenlängenselektion mit einem Monochromator gefiltert werden, verwendet. Thermische Strahler haben jedoch insbesondere den Nachteil, dass diese eine geringe spektrale Leistungsdichte aufweisen und daher eine geringe Intensität bei schmalbandiger Filterung. Alternativ werden als Lichtquelle 2 auch Laserquellen wie zum Beispiel Quantenkaskadenlaser verwendet. Diese stellen zwar insbesondere sehr leistungsstarke Lichtquellen im mittleren und fernen infraroten Wellenlängenbereich dar, weisen jedoch im Vergleich zu thermischen Strahlern ein hohes Intensitätsrauschen auf, so dass insbesondere bei Probenmaterial 5 mit geringen Konzentrationen des zu untersuchenden Stoffes die Empfindlichkeit reduziert wird und diese daher nicht mehr gemessen werden können. Auch ist die Leistungsdichte derartiger Lichtquellen 2 über die Wellenlänge nicht konstant, so dass das gemessene Spektrum vorteilhafterweise mit einer Referenzmessung, insbesondere ohne oder mit bekannten Probenmaterial 5, verglichen werden soll.As a light source 2 In particular, thermal emitters that are filtered with a monochromator for wavelength selection are used. However, thermal emitters have the particular disadvantage that they have a low spectral power density and therefore a low intensity with narrow-band filtering. Alternatively used as a light source 2 laser sources such as quantum cascade lasers are also used. Although these represent, in particular, very powerful light sources in the middle and far infrared wavelength range, they have a high intensity noise compared to thermal radiators, so that particularly with sample material 5 with low concentrations of the substance to be examined, the sensitivity is reduced and this can therefore no longer be measured. The power density of such light sources is also 2 Not constant over the wavelength, so that the measured spectrum is advantageously carried out with a reference measurement, in particular without or with known sample material 5 to be compared.

Hierzu wird bevorzugt, wie in 1 gezeigt, gemäß dem Stand der Technik ein zusätzlicher optischer Pfad in den Messaufbau integriert, so dass die Referenzmessung direkt durch den zusätzlichen optischen Pfad simultan erfasst werden kann und vom Messsignal subtrahiert werden kann (engl. balanced detection). Dazu wird, wie in 1 gezeigt, insbesondere das Licht 3 mit Hilfe des Strahlenteilers 4 aufgespalten und in den Referenzpfad und den Messpfad geleitet. Um eine möglichst identische Dämpfung im Messpfad und im Referenzpfad zu erhalten umfasst der Referenzpfad im Stand der Technik vorzugsweise ein variables Dämpfungsglied 7. Anschließend werden vorteilhafterweise das Messsignal und das Referenzsignal in den Detektoren 8a und 8b, bei welchen es sich beispielsweise um Photomultiplier handelt detektiert, und voneinander subtrahiert. Nachteilig an einem solchen zusätzlichem Referenzpfad ist jedoch, dass dieser ebenfalls eine wellenabhängige Transmission besitzen könnte und zudem anderen Fluktuationen wie der Messpfad unterliegt. Auch sollte der Referenzpfad bevorzugt eine ähnliche Dämpfung wie der Messpfad aufweisen, was jedoch meist insbesondere nur grob mittels des variablen Dämpfungsglieds 7 erreicht werden kann, da das Probenmaterial 5 unbekannt ist.For this purpose, it is preferred, as in 1 shown, according to the state of the art, an additional optical path is integrated into the measurement setup, so that the reference measurement can be recorded simultaneously directly through the additional optical path and can be subtracted from the measurement signal (balanced detection). As in 1 shown, especially the light 3 with the help of the beam splitter 4th split and passed into the reference path and the measurement path. In order to obtain an attenuation that is as identical as possible in the measurement path and in the reference path, the reference path in the prior art preferably comprises a variable attenuator 7th . The measurement signal and the reference signal are then advantageously in the detectors 8a and 8b , which are, for example, photomultipliers, are detected and subtracted from one another. A disadvantage of such an additional reference path, however, is that it could also have a wave-dependent transmission and is also subject to other fluctuations such as the measurement path. The reference path should also preferably have attenuation similar to that of the measurement path, which, however, is mostly only roughly by means of the variable attenuator 7th can be achieved as the sample material 5 is unknown.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung exemplarisch unter Zuhilfenahme der beiliegenden, nicht maßstabgetreuen 2 bis 7 erläutert, insbesondere welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und welche vorteilhafterweise die Auswirkungen des Intensitätsrauschen von Lichtquellen verringern bzw. unterdrücken und/oder eliminieren.In the following, preferred exemplary embodiments of the invention are exemplified with the aid of the enclosed, not to scale 2 to 7th explains in particular which avoid the disadvantages of the prior art and which advantageously reduce or suppress and / or eliminate the effects of the intensity noise of light sources.

2a und 2b zeigen schematisch eine Vorrichtung 1 in Seitenansicht und Draufsicht. 2a and 2 B show schematically a device 1 in side view and top view.

Wie in 2a und in 2b gezeigt, umfasst die Vorrichtung 1 eine Lichtquelle 2, Spiegel 6, ein Reflexionselement 9, zumindest einen Polarisator 10 und zumindest eine Detektoreinrichtung 8 sowie eine Recheneinheit 11.As in 2a and in 2 B shown comprises the device 1 a light source 2 , Mirror 6th , a reflective element 9 , at least one polarizer 10 and at least one detector device 8th as well as a computing unit 11 .

Die in den 2a und 2b gezeigte Vorrichtung 1, bevorzugt ein Spektrometer, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektrometer, zur Bestimmung optischer Eigenschaften des Probenmaterials 5 umfasst hierbei: - zumindest eine Detektoreinrichtung 8 zur Bestimmung einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial 5 reflektiertem Licht 3r eines ersten Polarisationszustands und zur Bestimmung einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial 5 reflektierten Lichts 3r eines zweiten Polarisationszustands; - zumindest eine Recheneinheit 11 zur Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt.The ones in the 2a and 2 B shown device 1 , preferably a spectrometer, more preferably an ATR infrared spectrometer, for determining optical properties of the sample material 5 comprises here: at least one detector device 8th for determining a first intensity of the sample material 5 reflected light 3r a first polarization state and for determining a second intensity of the sample material 5 reflected light 3r a second polarization state; - at least one computing unit 11 to form the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa.

Bevorzugt ist die Lichtquelle 2 ausgewählt aus der Gruppe: Laser, bevorzugt Halbleiterlaser, weiter bevorzugt Quantenkaskadenlaser (QCL), und/oder thermische Strahler, bevorzugt Glühlampe, Nernstlampe, Heizelement aus Siliziumcarbid oder Kohlenbogenlampe. Vorzugsweise emittiert die Lichtquelle Licht aus dem infraroten Wellenlängenbereich, bevorzugt aus dem nahen und/oder dem mittleren und/oder dem fernen Infrarotbereich, weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1000 µm, noch weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 2,5 µm und 25 µm, ferner noch weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 8 µm und 12 µm.The light source is preferred 2 selected from the group: lasers, preferably semiconductor lasers, more preferably quantum cascade lasers (QCL), and / or thermal emitters, preferably incandescent lamp, Nernst lamp, heating element made of silicon carbide or carbon arc lamp. The light source preferably emits light from the infrared wavelength range, preferably from the near and / or the middle and / or the far infrared range, more preferably light from the wavelength range between 0.8 µm and 1000 µm, even more preferably light from the wavelength range between 2 , 5 µm and 25 µm, furthermore preferably light from the wavelength range between 8 µm and 12 µm.

Bei der in den 2a und 2b gezeigten Lichtquelle 2 handelt es sich beispielsweise um einen Quantenkaskadenlaser, der Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 8 µm und 12 µm emittiert.In the 2a and 2 B shown light source 2 it is, for example, a quantum cascade laser that emits light from the wavelength range between 8 µm and 12 µm.

Wie in den 2a und 2b gezeigt, wird insbesondere das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht auf ein Probenmaterial, welches auf dem Reflexionselement 9 angeordnet ist, eingestrahlt. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist hier das Probenmaterial nicht dargestellt. Zur Einstrahlung auf das Probenmaterial wird das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht insbesondere mit Hilfe des Spiegels 6 umgelenkt. Weiter wird hierbei das auf das Probenmaterial durch das Reflexionselement 9 eingestrahlte Licht 3e bevorzugt derart eingestrahlt, dass das Licht an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement 9 reflektiert wird, insbesondere total reflektiert wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 reflektierten, insbesondere total reflektiertem, Licht um das von dem Probenmaterial 5 reflektierte Licht 3r. Bezüglich der Reflexion an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement 9 ist hier auf untenstehende Ausführungen im Rahmen der 3a und der 3b verwiesen. As in the 2a and 2 B is shown, in particular, that of the light source 2 emitted light on a sample material, which is on the reflective element 9 is arranged, irradiated. For the sake of clarity, the sample material is not shown here. The light source is used to irradiate the sample material 2 emitted light especially with the help of the mirror 6th diverted. The reflection element also affects the sample material 9 irradiated light 3e preferably irradiated in such a way that the light is formed at the interface from the sample material and the reflection element 9 is reflected, in particular is totally reflected. It is preferably the one formed at the interface from the sample material 5 and the reflective element 9 reflected, in particular totally reflected, light around that of the sample material 5 reflected light 3r . With regard to the reflection at the interface, formed from the sample material and the reflection element 9 is here on the statements below in the context of 3a and the 3b referenced.

Das von dem Probenmaterial reflektierte Licht 3r wird anschließend, wie ebenfalls in 2a und 2b gezeigt, mittels eines weiteren Spiegels 6 zu zumindest einem Polarisator 10 gelenkt.The light reflected from the sample material 3r is then, as also in 2a and 2 B shown by means of another mirror 6th to at least one polarizer 10 steered.

Mittels des Polarisators 10 wird vorzugsweise das von dem Probenmaterial reflektierte Licht 3r in den ersten Polarisationszustand und den zweiten Polarisationszustand aufgeteilt.Using the polarizer 10 is preferably the light reflected from the sample material 3r divided into the first polarization state and the second polarization state.

Vorteilhafterweise ist der Polarisator 10 ausgewählt aus der Gruppe: Polarisator basierend auf Doppelbrechung, bevorzugt Polarisationsprisma, weiter bevorzugt Nicolsches Prisma, Rochon-Prisma, Glan-Thomson-Prisma, Polarisator basierend auf Dichroismus, bevorzugt J-Folie und/oder H-Folie, und/oder Polarisator basierend auf Reflexion, bevorzugt Brewster-Fenster.The polarizer is advantageous 10 selected from the group: polarizer based on birefringence, preferably polarizing prism, more preferably Nicol's prism, Rochon prism, Glan-Thomson prism, polarizer based on dichroism, preferably J-foil and / or H-foil, and / or polarizer based on Reflection, preferably Brewster window.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn sich der erste und zweite Polarisationszustand unterscheiden, insbesondere wenn der erste und der zweite Polarisationszustand linear polarisierte Zustände mit zueinander senkrechter Schwingungsebene sind, wobei vorzugsweise der erste Polarisationszustand parallel polarisiertes Licht und der zweite Polarisationszustand senkrecht polarisiertes Licht ist.It is advantageous here if the first and second polarization states differ, in particular if the first and second polarization states are linearly polarized states with mutually perpendicular oscillation planes, the first polarization state preferably being parallel polarized light and the second polarization state being perpendicularly polarized light.

Bei dem in 2a und 2b gezeigten Polarisator 10 handelt es sich beispielsweise um einen Linearpolarisator, insbesondere welcher sequentiell in Abhängigkeit eines steuerbaren Zustands Licht zweier linear polarisierter Zustände mit zueinander senkrechter Schwingungsebene herausfiltern kann.The in 2a and 2 B shown polarizer 10 it is, for example, a linear polarizer, in particular which can sequentially filter out light in two linearly polarized states with mutually perpendicular oscillation planes as a function of a controllable state.

Anschließend wird insbesondere die Intensität des von Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des ersten Polarisationszustands und die Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des zweiten Polarisationszustands, wie in 2a und in 2b gezeigt, mittels der Detektoreinrichtung 8 bestimmt.Then, in particular, the intensity of the light reflected from the sample material is determined 3r the first polarization state and the intensity of the light reflected from the sample material 3r of the second polarization state, as in 2a and in 2 B shown by means of the detector device 8th certainly.

Bevorzugt ist hierbei die Detektoreinrichtung 8 ein Photodetektor ausgewählt aus der Gruppe: Photozelle, Photomultiplier, Mikrokanalplatten-Photomultiplier, CMOS-Sensor, CCD-Sensor, Photodiode, Phototransistor, Photowiderstand, Bolometer, pyroelektrischer Sensor, Pyrometer, Thermoelement und/oder Golay-Zelle. Bei der in 2a und 2b gezeigten Detektoreinrichtung 8 handelt es sich beispielsweise um einen Photomultiplier.The detector device is preferred here 8th a photodetector selected from the group: photocell, photomultiplier, microchannel plate photomultiplier, CMOS sensor, CCD sensor, photodiode, phototransistor, photoresistor, bolometer, pyroelectric sensor, pyrometer, thermocouple and / or Golay cell. At the in 2a and 2 B detector device shown 8th it is, for example, a photomultiplier.

In der in 2a und 2b gezeigten Recheneinheit 11 wird anschließend das Verhältnis der Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des ersten Polarisationszustands und der Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des zweiten Polarisationszustands gebildet.In the in 2a and 2 B computing unit shown 11 then becomes the ratio of the intensity of the light reflected from the sample material 3r the first polarization state and the intensity of the light reflected from the sample material 3r of the second polarization state is formed.

Bevorzugt wird dies, für eine Vielzahl von Wellenlängen, insbesondere für Licht aus dem infraroten Wellenlängenbereich, bevorzugt aus dem nahen und/oder dem mittleren und/oder dem fernen Infrarotbereich, weiter bevorzugt für Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1000 µm, noch weiter bevorzugt für Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 2,5 µm und 25 µm, ferner noch weiter bevorzugt für Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 8 µm und 12 µm, durchgeführt.This is preferred for a large number of wavelengths, in particular for light from the infrared wavelength range, preferably from the near and / or the middle and / or the far infrared range, more preferably for light from the wavelength range between 0.8 µm and 1000 µm, even more preferably for light from the wavelength range between 2.5 μm and 25 μm, and even more preferably for light from the wavelength range between 8 μm and 12 μm.

Die in 2a und 2b gezeigte Vorrichtung 1 bestimmt hierbei insbesondere in Abhängigkeit des steuerbaren Zustands des Polarisators 10 beispielsweise zuerst die Intensität des von Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des ersten Polarisationszustands und anschließend Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des zweiten Polarisationszustands. Insbesondere sobald die Intensitäten des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r für beide Polarisationszustände bestimmt sind, wird das Verhältnis dieser Intensitäten mittels der Recheneinheit 11 gebildet. Hierzu weist die Recheneinheit 11 bevorzugt einen (Arbeits-)Speicher und/oder einen Mikroprozessor auf. In anderen Worten arbeitet die in 2a und 2b gezeigte Vorrichtung 1 bevorzugt sequentiell, insbesondere in Abhängigkeit des steuerbaren Zustands des Polarisators 10, welcher beispielsweise in einem ersten steuerbaren Zustand parallel polarisiertes Licht herausfiltert bzw. passieren lässt und in einem zweiten steuerbaren Zustand senkrecht polarisiertes Licht herausfiltert bzw. passieren lässt.In the 2a and 2 B shown device 1 determined in particular as a function of the controllable state of the polarizer 10 for example, first the intensity of the light reflected from the sample material 3r the first polarization state and then the intensity of the light reflected from the sample material 3r of the second polarization state. In particular as soon as the intensities of the light reflected from the sample material 3r are determined for both polarization states, the ratio of these intensities is determined by means of the computing unit 11 educated. To this end, the computing unit 11 preferably a (working) memory and / or a microprocessor. In other words, the in 2a and 2 B shown device 1 preferably sequentially, in particular as a function of the controllable state of the polarizer 10 which, for example, filters out or allows parallel polarized light to pass through in a first controllable state and filters out or allows perpendicularly polarized light to pass in a second controllable state.

Wie in 2a und 2b zu erkennen ist, sind insbesondere die Lichtpfade für die Bestimmung der Intensitäten für das von dem Probenmaterial reflektierte Licht des ersten und des zweiten Polarisationszustands identisch. As in 2a and 2 B can be seen, in particular, are the light paths for determining the intensities for the sample material reflected light of the first and second polarization states identical.

Insbesondere aufgrund der Verhältnisbildung der Intensitäten des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r für beide Polarisationszustände werden die Auswirkungen des Intensitätsrauschens der Lichtquelle 2 verringert, bevorzugt eliminiert.In particular due to the formation of the ratio of the intensities of the light reflected from the sample material 3r for both polarization states the effects of the intensity noise of the light source 2 reduced, preferably eliminated.

So ist es beispielsweise möglich, dass die Auswirkungen des Intensitätsrauschens der Lichtquelle 2 mindestens um den Faktor 2,5, bevorzugt um den Faktor 5, weiter bevorzugt um den Faktor 10, noch weiter bevorzugt um den Faktor 50, ferner noch weiter bevorzugt um den Faktor 100, verringert werden.For example, it is possible that the effects of the intensity noise of the light source 2 at least by a factor of 2.5, preferably by a factor 5 , more preferably by the factor 10 , even more preferably by the factor 50 , furthermore preferably by the factor 100 , be reduced.

Weiter ist es auch möglich, dass das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht 3e und/oder das von dem Probenmaterial reflektierte Licht 3r, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, zumindest bereichsweise in einem Lichtwellenleiter, bevorzugt in einer Faser, noch weiter bevorzugt in einer Glasfaser, geführt wird.It is also possible that the light irradiated onto the sample material 3e and / or the light reflected from the sample material 3r , in particular the first and / or the second polarization state, at least in some areas in an optical waveguide, preferably in a fiber, even more preferably in a glass fiber.

Auch ist es möglich, dass das auf das Probenmaterial eingestrahlte Licht 3e und/oder das von dem Probenmaterial reflektierte Licht 3r, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, zumindest bereichsweise freistrahl geführt wird.It is also possible that the light irradiated onto the sample material 3e and / or the light reflected from the sample material 3r , in particular of the first and / or the second polarization state, is guided at least partially free beam.

Auch ist es möglich, dass das auf das Probenmaterial 5 eingestrahlte Licht 3e und/oder das von dem Probenmaterial 5 reflektierte Licht 3r, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, ein Lichtstrahl ist, bevorzugt wobei der Lichtstrahl zumindest bereichsweise einen Strahldurchmesser zwischen 10 µm und 10000 µm aufweist.It is also possible that this affects the sample material 5 irradiated light 3e and / or that of the sample material 5 reflected light 3r , in particular of the first and / or the second polarization state, is a light beam, preferably wherein the light beam has a beam diameter between 10 μm and 10,000 μm at least in some areas.

3a zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt 12a der 2a. 3a shows schematically an enlarged section 12a of the 2a .

Wie in 3a gezeigt, wird Licht 3e bevorzugt durch das Reflexionselement 9 derart auf das Probenmaterial 5 eingestrahlt, dass das Licht 3r an der Grenzfläche 13 gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 reflektiert wird, insbesondere total reflektiert wird.As in 3a shown is light 3e preferably by the reflective element 9 so on the sample material 5 irradiated that light 3r at the interface 13 formed from the sample material 5 and the reflective element 9 is reflected, in particular is totally reflected.

Hierbei ist, wie in 3a gezeigt, insbesondere innerhalb des Reflexionselements 9, der Winkel (α), unter welchem das Licht 3e auf das Probenmaterial 5 eingestrahlt wird, gleich dem Winkel (β), unter welchem das Licht 3r von dem Probenmaterial 5 reflektiert wird.Here, as in 3a shown, particularly within the reflective element 9 , the angle (α) at which the light 3e on the sample material 5 is irradiated, equal to the angle (β) at which the light 3r of the sample material 5 is reflected.

Beispielsweise ist es möglich, dass, insbesondere innerhalb des Reflexionselements 9, der Winkel (α), unter welchem das Licht 3e auf das Probenmaterial 5 eingestrahlt wird, und der Winkel (β), unter welchem das Licht 3r von dem Probenmaterial 5 reflektiert wird, zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 10° und 80°, beträgt. Beispielsweise betragen die in 3a gezeigten Winkel (α) und (β) gleich 32°.For example, it is possible that, in particular within the reflection element 9 , the angle (α) at which the light 3e on the sample material 5 is irradiated, and the angle (β) at which the light 3r of the sample material 5 is reflected, between 0 ° and 90 °, preferably between 10 ° and 80 °. For example, the in 3a angles (α) and (β) shown equal 32 °.

Vorteilhafterweise ist der Brechungsindex des Reflexionselements 9 (n1) größer als der Brechungsindex des Probenmaterials 5 (n2). So ist es möglich, dass der Brechungsindex des Reflexionselements 9 (n1) zwischen 2,0 und 4,0, bevorzugt zwischen 2,4 und 2,6, beträgt und/oder dass der Brechungsindex des Probenmaterials 5 (n2) zwischen 1,05 und 1,95, bevorzugt zwischen 1,25 und 1,75, beträgt. Beispielsweise weist das in 3a gezeigte Probenelement 5 einen Brechungsindex (n2) von 1,33 und das in 3a gezeigte Reflexionselement 9 einen Brechungsindex (n1) von 2,59 bei einer Wellenlänge von 633 nm auf. Vorzugsweise ist bei dem Verfahren und bei der Vorrichtung 1 die Abhängigkeit des Brechungsindex des gesamten Messaufbaus, insbesondere die Abhängigkeit des Brechungsindex des Probenmaterials 5 und des Reflexionselements 9, von der Wellenlänge vernachlässigbar.The refractive index of the reflective element is advantageous 9 (n 1 ) greater than the refractive index of the sample material 5 (n 2 ). So it is possible that the refractive index of the reflective element 9 (n 1 ) is between 2.0 and 4.0, preferably between 2.4 and 2.6, and / or that the refractive index of the sample material 5 (n 2 ) is between 1.05 and 1.95, preferably between 1.25 and 1.75. For example, in 3a sample element shown 5 a refractive index (n 2 ) of 1.33 and the in 3a Reflection element shown 9 has a refractive index (n 1 ) of 2.59 at a wavelength of 633 nm. Preferably in the method and in the device 1 the dependency of the refractive index of the entire measurement setup, in particular the dependency of the refractive index of the sample material 5 and the reflective element 9 , negligible from the wavelength.

So ist es zweckmäßig, wenn der Winkel (α) größer oder gleich dem Winkel ist, für welchen Totalreflexion an der Grenzfläche 13 gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9, insbesondere für das auf das Probenmaterial 5 eingestrahlte Licht 3e, auftritt.It is useful if the angle (α) is greater than or equal to the angle for which total reflection at the interface 13 formed from the sample material 5 and the reflective element 9 , especially for that on the sample material 5 irradiated light 3e , occurs.

Insbesondere wird der Grenzwinkel (Θc), ab welchem Totalreflexion auftritt, wie folgt berechnet: Θ c = arcsin ( n 2 / n 1 ) .

Figure DE102019104556A1_0002
In particular, the critical angle (Θ c ) from which total reflection occurs is calculated as follows: Θ c = arcsin ( n 2 / n 1 ) .
Figure DE102019104556A1_0002

Der Grenzwinkel (Θc) wird hierbei insbesondere auch als kritischer Winkel bezeichnet. Ab dem kritischen Winkel (Θc) kann bevorzugt die elektromagnetische Welle, insbesondere das eingestrahlte Licht 3e, nicht mehr in das optisch dünnere Medium, insbesondere das Probenmaterial 5 eindringen, und wird stattdessen an der Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren und dem optisch dünneren Medium, insbesondere an der Grenzfläche 13 gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9, vollständig reflektiert. Insbesondere ist hierbei der Ausfallswinkel gleich dem Einfallswinkel.The critical angle (Θ c ) is also referred to here in particular as the critical angle. From the critical angle (Θ c ), the electromagnetic wave, in particular the incident light, can preferably 3e , no longer in the optically thinner medium, especially the sample material 5 penetrate, and is instead at the interface between the optically denser and the optically thinner medium, in particular at the interface 13 formed from the sample material 5 and the reflective element 9 , fully reflected. In particular, the angle of reflection is the same as the angle of incidence.

So ist es möglich, dass das auf das Probenmaterial 5 eingestrahlte Licht 3e, insbesondere aufgrund des Winkels (α), unter welchem das Licht auf das Probenmaterial 5 eingestrahlt wird, in dem Probenmaterial 5 nicht ausbreitungsfähig ist.So it is possible that this is due to the sample material 5 irradiated light 3e , in particular due to the angle (α) at which the light hits the sample material 5 is irradiated in the sample material 5 is not capable of spreading.

Vorteilhafterweise ist das Reflexionselement 9 ein Lichtwellenleiter, insbesondere ein Lichtwellenleiter, in welchem Licht aufgrund von Totalreflexion geführt wird. Beispielsweise ist ein derartiger Lichtwellenleiter ein Prisma oder eine Faser, insbesondere ohne Mantel.The reflective element is advantageous 9 an optical fiber, in particular a Optical fiber in which light is guided due to total reflection. For example, such an optical waveguide is a prism or a fiber, in particular without a jacket.

Vorzugsweise ist das Reflexionselement 9 ein ATR-Element, insbesondere ein ATR-Kristall.Preferably the reflective element is 9 an ATR element, in particular an ATR crystal.

So ist es möglich, dass das Reflexionselement 9, bevorzugt das ATR-Element, weiter bevorzugt der ATR-Kristall, Zinkselenid (ZnSe), Germanium (Ge), Thalliumbromidiodid (KRS-5), Silicium (Si), AMTIR (amorphous material transmitting infrared radiation), insbesondere AMTIR-1 (GeAsSe), und/oder Diamant umfasst.So it is possible that the reflective element 9 , preferably the ATR element, more preferably the ATR crystal, zinc selenide (ZnSe), germanium (Ge), thallium bromide iodide (KRS-5), silicon (Si), AMTIR (amorphous material transmitting infrared radiation), especially AMTIR-1 ( GeAsSe), and / or diamond.

Ferner ist es auch denkbar, dass insbesondere bei FEWS-Infrarotspektroskopieverfahren und/oder in einem FEWS-Infrarotspektrometer das ATR-Element Chalkogenidglas-Fasern umfasst.Furthermore, it is also conceivable that, in particular in the case of FEWS infrared spectroscopy methods and / or in a FEWS infrared spectrometer, the ATR element comprises chalcogenide glass fibers.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn das auf das Probenmaterial 5 eingestrahlte Licht 3e unpolarisiertes Licht ist, bevorzugt wenn das auf das Probenmaterial 5 eingestrahlte Licht 3e eine Polarisation unter 45° zur Einfallsebene aufweist.It is also useful if the sample material 5 irradiated light 3e unpolarized light is preferred when that hits the sample material 5 irradiated light 3e has a polarization below 45 ° to the plane of incidence.

3b zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt 12b der 3a. 3b shows schematically an enlarged section 12b of the 3a .

Wie in 3b gezeigt, wird das Licht bevorzugt derart auf das Probenmaterial 5 durch das Reflexionselement 9 eingestrahlt, dass sich eine elektromagnetische Welle an der Oberfläche des Reflexionselements 9 ausbildet, welche in das Probenmaterial 5 eindringt, insbesondere wobei die Feldstärke der elektromagnetischen Welle exponentiell abnimmt. Bevorzugt handelt es bei der elektromagnetischen Welle an der Oberfläche des Reflexionselements 9, insbesondere deren Feldstärke exponentiell abnimmt, um eine sog. abklingende (evaneszente) Welle, welche vorzugsweise bei Totalreflexion an der Grenzfläche 13 gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 entsteht. Insbesondere wenn das Probenmaterial 5 nun Licht absorbiert, fällt die Reflexion des Lichtstrahls, insbesondere des an der Grenzfläche 13 gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 reflektierten Lichts 3r, schwächer aus, da die abklingende (evaneszente) Welle, insbesondere das evaneszente Feld, durch das Probenmaterial 5 Verluste erfährt. So ist eine beispielhafte Verteilung der Feldstärke vor und hinter der Grenzfläche 13 gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 in 3b, insbesondere für eine einfallende ebene Welle, gezeigt. Wie in 3b zu erkennen ist, fällt die Feldstärke im Probenmaterial 5 exponentiell ab.As in 3b shown, the light is preferably so on the sample material 5 through the reflective element 9 irradiated that an electromagnetic wave on the surface of the reflective element 9 trains which in the sample material 5 penetrates, in particular wherein the field strength of the electromagnetic wave decreases exponentially. The electromagnetic wave is preferably on the surface of the reflection element 9 , in particular the field strength of which decreases exponentially, around a so-called decaying (evanescent) wave, which preferably occurs with total reflection at the interface 13 formed from the sample material 5 and the reflective element 9 arises. Especially when the sample material 5 now light is absorbed, the reflection of the light beam falls, especially that at the interface 13 formed from the sample material 5 and the reflective element 9 reflected light 3r , weaker, as the decaying (evanescent) wave, especially the evanescent field, passes through the sample material 5 Experiences losses. This is an exemplary distribution of the field strength in front of and behind the interface 13 formed from the sample material 5 and the reflective element 9 in 3b , particularly for an incident plane wave. As in 3b can be seen, the field strength drops in the sample material 5 exponentially.

Fig. 4a bis Fig. 4c zeigen Diagramme.FIGS. 4a to 4c show diagrams.

4a und 4b zeigen beispielhaft die Reflexion an einer Grenzfläche zwischen einem Reflexionselement aus ZnSe (n1 = 2,59) und dem Probenmaterial Wasser (n2 = 1,33) für die senkrechte Polarisation in 4a und für die parallele Polarisation in 4b jeweils für den verlustfreien Fall 15a und den verlustbehafteten Fall 15b, insbesondere wobei der Extinktionskoeffizient (k) für den verlustbehafteten Fall k = 0,0508 ist. Die Diagrammachsen 14a zeigen hierbei jeweils den Einfallswinkel in Grad und die Diagrammachsen 14b zeigen die Reflektivität für die senkrechte Polarisation in 4a und für die parallele Polarisation in 4b. Die Diagrammkurven 15a und 15b wurden hierbei beispielhaft für die Wellenlänge von 10 µm berechnet, da in diesem Wellenlängenbereich Wasser Licht stark absorbiert. Wie insbesondere 4a und 4b zu entnehmen ist, ist bei einem Winkel, welcher größer als der kritische Winkel der Totalreflexion ist, die Dämpfung für parallel polarisiertes Licht stärker als die Dämpfung für senkrecht polarisiertes Licht. Ferner weisen beide Polarisationsrichtungen insbesondere auch einen unterschiedlichen Phasenversatz auf (hier nicht gezeigt). 4a and 4b show by way of example the reflection at an interface between a reflection element made of ZnSe (n 1 = 2.59) and the sample material water (n 2 = 1.33) for the perpendicular polarization in 4a and for the parallel polarization in 4b in each case for the lossless case 15a and the lossy case 15b , in particular where the extinction coefficient (k) for the lossy case is k = 0.0508. The chart axes 14a show the angle of incidence in degrees and the diagram axes 14b show the reflectivity for the perpendicular polarization in 4a and for the parallel polarization in 4b . The diagram curves 15a and 15b were calculated as an example for the wavelength of 10 µm, since water strongly absorbs light in this wavelength range. How in particular 4a and 4b It can be seen that at an angle which is greater than the critical angle of total reflection, the attenuation for parallel polarized light is greater than the attenuation for perpendicularly polarized light. Furthermore, the two directions of polarization also have, in particular, a different phase offset (not shown here).

Wie bereits in 4a und 4b zu erkennen, hat insbesondere der Extinktionskoeffizient des Probenmaterials für parallel polarisiertes Licht einen größeren Einfluss auf die Reflexion als für senkrecht polarisiertes Licht. Somit ist insbesondere zu erwarten, dass sich eine Änderung des Extinktionskoeffizienten auf die Reflexion von parallel polarisiertem Licht am Reflexionselement stärker auswirkt als auf die Reflexion von senkrecht polarisiertem Licht. Um insbesondere diese Abhängigkeit zu bestätigen wird im Folgenden die relative Änderung der Reflexion am Reflexionselement in Abhängigkeit einer relativen Änderung des Extinktionskoeffizienten des Probenmaterials bestimmt. Wird insbesondere die Änderung des Extinktionskoeffizient (k) wie folgt definiert: Δ k = k 0 ε  f ü r ε < < 1.  

Figure DE102019104556A1_0003
As in 4a and 4b In particular, the extinction coefficient of the sample material for parallel polarized light has a greater influence on the reflection than for perpendicularly polarized light. It is therefore to be expected in particular that a change in the extinction coefficient has a greater effect on the reflection of parallel polarized light on the reflection element than on the reflection of perpendicularly polarized light. In order to confirm this dependency in particular, the relative change in the reflection on the reflection element is determined below as a function of a relative change in the extinction coefficient of the sample material. In particular, the change in the extinction coefficient (k) is defined as follows: Δ k = k 0 ε f ü r ε < < 1.
Figure DE102019104556A1_0003

Die Änderungen der Reflexion ist insbesondere wie folgt definiert: Δ R = R ( k 0 ) R ( k 0 + Δ k ) = R ( k 0 ) R ( k 0 ( 1 + ε ) ) .

Figure DE102019104556A1_0004
The changes in reflection are specifically defined as follows: Δ R. = R. ( k 0 ) - R. ( k 0 + Δ k ) = R. ( k 0 ) - R. ( k 0 ( 1 + ε ) ) .
Figure DE102019104556A1_0004

Weiter ist die relative Änderung der Reflexion definiert als: R rel = Δ R/R ( k 0 ) .

Figure DE102019104556A1_0005
Further, the relative change in reflection is defined as: R. rel = Δ R / R ( k 0 ) .
Figure DE102019104556A1_0005

In 4c ist insbesondere diese Polarisationsabhängigkeit der relativen Änderung der Reflexion für parallel polarisiertes Licht 17a und senkrecht polarisiertes Licht 17b am Reflexionselement gezeigt, wobei insbesondere die Diagrammachse 14a hierbei den Einfallswinkel zum Lot auf der Grenzfläche in Grad zeigt und die Diagrammachse 14c die relative Änderung der Reflexion am Reflexionselement zeigt. Wie 4c insbesondere zu entnehmen ist, ist der Einfluss des Extinktionskoeffizienten umso stärker je näher sich der Einfallswinkel, insbesondere der Winkel (α), unter welchem das Licht auf das Probenmaterial eingestrahlt wird, am kritischen Winkel 16 der Totalreflexion liegt. Weiter kann der 4c entnommen werden, dass insbesondere eine Variation des Extinktionskoeffizienten für die unterschiedlichen Polarisationen des Lichts zu unterschiedlich starken relativen Änderungen der Reflexion führen. Wird nun bevorzugt das Verhältnis zwischen den Reflexionskoeffizienten beider Polarisationen gebildet, bleibt eine Abhängigkeit vom Extinktionskoeffizienten bestehen. Diese Verhältnisbildung wird wie oben dargelegt in dem Verfahren und der Vorrichtung zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials genutzt. Insbesondere ist es möglich, dass aufgrund der Verhältnisbildung zwar etwas an Signalintensität verloren geht, bevorzugt weil in beiden Polarisationszuständen eine Abhängigkeit vom Extinktionskoeffizienten besteht, insgesamt jedoch ein Signal erhalten bleibt, vorzugsweise wobei die Auswirkungen des Intensitätsrauschens der Lichtquelle und/oder Fluktuationen des Messaufbaus, wie oben dargelegt, verringert bzw. eliminiert werden.In 4c is in particular this polarization dependence of the relative change in reflection for parallel polarized light 17a and perpendicularly polarized light 17b on the reflective element shown, in particular the diagram axis 14a shows the angle of incidence to the perpendicular on the interface in degrees and the diagram axis 14c shows the relative change in reflection on the reflective element. How 4c In particular, it can be seen that the influence of the extinction coefficient is greater the closer the angle of incidence, in particular the angle (α) at which the light is radiated onto the sample material, to the critical angle 16 the total reflection lies. The next can 4c it can be seen that, in particular, a variation in the extinction coefficient for the different polarizations of the light leads to relative changes in the reflection of different degrees. If the ratio between the reflection coefficients of both polarizations is now preferably formed, a dependency on the extinction coefficient remains. As explained above, this ratio formation is used in the method and the device for determining optical properties of a sample material. In particular, it is possible that, due to the formation of the ratio, some signal intensity is lost, preferably because there is a dependence on the extinction coefficient in both polarization states, but overall a signal is retained, preferably with the effects of the intensity noise of the light source and / or fluctuations in the measurement setup, such as set out above, reduced or eliminated.

Hierbei ist insbesondere zu bemerken, dass diese Abhängigkeit vorteilhafterweise auch für andere Polarisationszustände als die parallele und die senkrechte Polarisation besteht. Die maximale Differenz zwischen den Polarisationen wird jedoch insbesondere bei anderen Polarisationszuständen geringer, so dass bevorzugt folglich Signalstärke bei anderen Polarisationen verloren geht. In anderen Worten wird insbesondere der Abstand der maximalen relativen Änderung der Reflexion für andere Polarisationszustände als die in 4c gezeigten geringer, wobei vorzugsweise die prinzipielle Abhängigkeit erhalten bleibt. Ferner kann der 4c insbesondere auch entnommen werden, dass die Polarisationsabhängigkeit der relativen Änderungen der Reflexion am Reflexionselement eine Winkelabhängigkeit aufweisen, die Winkeleinstellung jedoch vorteilhafterweise in einem relativ großen Winkelbereich möglich ist, wobei der Winkelbereich bevorzugt zwischen 0° und 5°, weiter bevorzugt zwischen 0,5° und 3°, über dem kritischen Winkel der Totalreflexion liegt.It should be noted in particular that this dependency advantageously also exists for other polarization states than the parallel and the perpendicular polarization. However, the maximum difference between the polarizations becomes smaller, in particular in the case of other polarization states, so that signal strength is preferably consequently lost in the case of other polarizations. In other words, the distance between the maximum relative change in the reflection for polarization states other than that in FIG 4c shown lower, whereby the principal dependency is preferably retained. Furthermore, the 4c In particular, it can also be seen that the polarization dependence of the relative changes in the reflection on the reflection element have an angle dependency, but the angle setting is advantageously possible in a relatively large angle range, the angle range preferably between 0 ° and 5 °, more preferably between 0.5 ° and 3 °, above the critical angle of total reflection.

Hier sei darauf hingewiesen, dass es beispielsweise auch möglich ist, dass das Probenmaterial 5 flüssig und/oder fest ist. So ist es möglich, dass das Probenmaterial 5 beispielsweise Wasser, Bakterien und/oder Feststoffe umfasst. Ferner ist es denkbar, dass das Probenmaterial 5 einen oder mehrere Stoffe ausgewählt aus der Gruppe: Wasser, Bakterien, Viren, Feststoffe, Lösungsmittel, Lösungsmittelmischungen, Lackschichten, Polymerfolien, Duroplasten, Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, ein- oder mehrzellige Organismen, Pilze, Pflanzen, insbesondere Algen, umfasst.It should be pointed out here that it is also possible, for example, for the sample material 5 is liquid and / or solid. So it is possible that the sample material 5 for example, water, bacteria and / or solids. It is also conceivable that the sample material 5 one or more substances selected from the group: water, bacteria, viruses, solids, solvents, solvent mixtures, lacquer layers, polymer films, thermosets, body fluids, in particular blood, mono- or multicellular organisms, fungi, plants, in particular algae.

5a bis 5c zeigen schematisch Vorrichtungen 1 in Seitenansicht und in Draufsicht. 5a to 5c schematically show devices 1 in side view and in plan view.

Die in 5a und in 5b gezeigte Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 2, die Spiegel 6, ein Reflexionselement 9, die Polarisatoren 10a und 10b und die Detektoreinrichtungen 8a und 8b sowie einen optischen Sumpf 18.In the 5a and in 5b shown device 1 includes a light source 2 , the mirror 6th , a reflective element 9 who have favourited polarizers 10a and 10b and the detector means 8a and 8b as well as an optical sump 18th .

Mittels der in der 5a und der 5b gezeigten Vorrichtung 1 ist es möglich, ein Verfahren, bevorzugt ein Spektroskopieverfahren, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektroskopieverfahren, zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials durchzuführen, insbesondere wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bestimmen einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial reflektiertem Licht 3r eines ersten Polarisationszustands; b) Bestimmen einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r eines zweiten Polarisationszustands; c) Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt. Der Übersichtlichkeit halber ist auch in der 5a und der 5b das Probenmaterial, welches insbesondere in direktem Kontakt auf das Reflexionselement 9 aufgebracht ist, nicht dargestellt.Using the in the 5a and the 5b device shown 1 it is possible to carry out a method, preferably a spectroscopy method, more preferably an ATR infrared spectroscopy method, for determining optical properties of a sample material, in particular wherein the method comprises the following steps: a) determining a first intensity of light reflected from the sample material 3r a first polarization state; b) determining a second intensity of the light reflected from the sample material 3r a second polarization state; c) Formation of the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa. For the sake of clarity, the 5a and the 5b the sample material, which in particular is in direct contact with the reflective element 9 is applied, not shown.

Weiter es möglich, dass die Vorrichtung 1, bevorzugt ein Spektrometer, weiter bevorzugt ein ATR-Infrarotspektrometer, ein HATR- Infrarotspektrometer, ein FEWS- Infrarotspektrometer und/oder ein FTIR- Infrarotspektrometer, ist.Further it is possible that the device 1 , preferably a spectrometer, more preferably an ATR infrared spectrometer, a HATR infrared spectrometer, a FEWS infrared spectrometer and / or an FTIR infrared spectrometer.

Bezüglich der Ausgestaltung der Lichtquelle 2, des Reflexionselements 9 und der Detektoreinrichtungen 8a und 8b ist hier insbesondere auf obige Ausführungen verwiesen. Die in 5a und 5b gezeigte Vorrichtung 1 entspricht im Wesentlichen der in 2a und 2b gezeigten Vorrichtung mit dem Unterschied, dass die Vorrichtung anstatt des Polarisators 10 die Polarisatoren 10a und 10b umfasst und anstatt der Detektoreinrichtung 8 die Detektoreinrichtungen 8a und 8b. Weiter umfasst die in 5a und 5b gezeigte Vorrichtung ferner noch den optischen Sumpf 18.With regard to the design of the light source 2 , the reflective element 9 and the detector devices 8a and 8b Reference is made here in particular to the statements above. In the 5a and 5b shown device 1 essentially corresponds to the in 2a and 2 B device shown with the difference that the device instead of the polarizer 10 the polarizers 10a and 10b comprises and instead of the detector device 8th the detector devices 8a and 8b . The in 5a and 5b The device shown also has the optical sump 18th .

Wie in 5a und 5b gezeigt, wird das von dem Reflexionselement 9 und/oder dem Probenmaterial 5 reflektierte Licht 3r, insbesondere das an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 reflektierte Licht 3r, vorzugsweise mittels der Polarisatoren 10a und 10b in den ersten und zweiten Polarisationszustand getrennt. Bevorzugt handelt sich bei den Polarisatoren um Brewster-Fenster. Vorteilhafterweise wird durch das Brewster-Fensters 10a die senkrechte Polarisation und durch das Brewster-Fensters 10b die parallele Polarisation reflektiert oder umgekehrt. Die anderen Polarisationen werden vorteilhafterweise durch die Brewster-Fenster 10a und 10b transmittiert und gelangen in den optischen Sumpf 18, insbesondere wobei dieser dafür sorgt, dass diese das Messergebnis nicht störend beeinflussen. Weiter werden, wie in 5a und 5b gezeigt, die Intensitäten der beiden Polarisationszustände, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Polarisationszustands, anschließend mittels der Detektoreinrichtungen 8a und 8b bestimmt. So weist die in 5a und 5b gezeigte Vorrichtung 1 die Detektoreinrichtung 8a zur Bestimmung der Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des ersten Polarisationszustands und die Detektoreinrichtung 8b zur Bestimmung der Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des zweiten Polarisationszustands auf.As in 5a and 5b is shown by the reflective element 9 and / or the sample material 5 reflected light 3r , in particular that formed from the sample material at the interface 5 and the reflective element 9 reflected light 3r , preferably by means of the polarizers 10a and 10b separated into the first and second polarization states. The polarizers are preferably Brewster windows. Advantageously, through the Brewster window 10a the perpendicular polarization and through the Brewster window 10b the parallel polarization reflects or vice versa. The other polarizations are advantageously through the Brewster windows 10a and 10b transmitted and get into the optical sump 18th , in particular whereby this ensures that this does not interfere with the measurement result. Next, as in 5a and 5b shown, the intensities of the two polarization states, in particular the first and / or the second polarization state, then by means of the detector devices 8a and 8b certainly. The in 5a and 5b shown device 1 the detector device 8a to determine the intensity of the light reflected from the sample material 3r of the first polarization state and the detector device 8b to determine the intensity of the light reflected from the sample material 3r of the second polarization state.

Anschließend ist es möglich, dass Verhältnis der Intensitäten des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des ersten Polarisationszustands und des zweiten Polarisationszustands zu bilden, insbesondere wobei diesbezüglich auf obige Ausführungen verwiesen ist.It is then possible that the ratio of the intensities of the light reflected from the sample material 3r of the first polarization state and the second polarization state, in particular, reference being made in this regard to the above statements.

Insbesondere zur weiteren Rauschunterdrückungen ist es möglich, dass zumindest eine Detektoreinrichtung 8a und/oder 8b ein Synchrondetektor (lock-in) ist.In particular for further noise suppression it is possible that at least one detector device 8a and or 8b is a synchronous detector (lock-in).

Mittels der in 5a und 5b gezeigten Vorrichtung 1 ist es beispielsweise möglich, die Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts, insbesondere des an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement 9 reflektierten Lichts 3r, des ersten und des zweiten Polarisationszustands simultan zu bestimmen. Insbesondere aufgrund der zwei Detektoreinrichtungen ist eine simultane Detektion der beiden Polarisationen möglich, insbesondere wobei das Probenmaterial gleichmäßig, insbesondere mit Licht einer Polarisation unter 45° zur Einfallsebene angeregt wird.Using the in 5a and 5b device shown 1 it is possible, for example, to determine the intensity of the light reflected from the sample material, in particular that formed at the interface from the sample material and the reflection element 9 reflected light 3r to determine the first and the second polarization state simultaneously. In particular, due to the two detector devices, simultaneous detection of the two polarizations is possible, in particular with the sample material being excited uniformly, in particular with light of a polarization below 45 ° to the plane of incidence.

Ferner ist es bevorzugt, dass die Lichtpfade für das von dem Probenmaterial reflektierte Licht 3r des ersten und des zweiten Polarisationszustands, im Wesentlichen identisch sind. Vorzugsweise unterscheiden sich die Lichtpfade um weniger als 10 mm, bevorzugt um weniger als 1 mm.Furthermore, it is preferred that the light paths for the light reflected from the sample material 3r of the first and second polarization states, are substantially identical. The light paths preferably differ by less than 10 mm, preferably by less than 1 mm.

Die in 5c gezeigte Vorrichtung 1 entspricht der in den 5a und 5b gezeigten Vorrichtung 1 mit dem Unterschied, dass zum einen beispielhaft das Probenmaterial 5 gezeigt ist, wobei bevorzugt das Probenmaterial 5 mittels einer Fixierungseinheit 19 derart fixiert ist, dass das Probenmaterial 5 direkt auf bzw. an das Reflexionselement 9 auf- bzw. angeordnet ist. Vorzugsweise ist kein weiteres Material, wie beispielsweise Luft, zwischen dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 angeordnet. Weiter ist in der 5c auch eine Recheneinheit 11 zur Verhältnisbildung der Intensitäten des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts 3r des ersten und des zweiten Polarisationszustands dargestellt. Bezüglich der Ausgestaltung dieser und der weiteren in 5c gezeigten Elemente ist hier auf obige Ausführungen verwiesen.In the 5c shown device 1 corresponds to that in the 5a and 5b device shown 1 with the difference that on the one hand the sample material is an example 5 is shown, preferably the sample material 5 by means of a fixation unit 19th is fixed in such a way that the sample material 5 directly on or at the reflective element 9 is up or arranged. Preferably there is no further material, such as air, between the sample material 5 and the reflective element 9 arranged. Next is in the 5c also an arithmetic unit 11 to form the ratio of the intensities of the light reflected from the sample material 3r the first and the second polarization state shown. With regard to the design of this and the others in 5c The elements shown are referred to above.

So ist es, wie in 5c gezeigt, möglich, wenn die Vorrichtung 1 eine der folgenden Einheiten umfasst:- eine Lichtquelle 2, insbesondere zum Einstrahlen von Licht auf das Probenmaterial 5 durch ein Reflexionselement 9 derart, dass das Licht an einer Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial 5 und dem Reflexionselement 9 reflektiert wird, insbesondere total, reflektiert wird; - ein Reflexionselement 9, bevorzugt ein ATR-Element, weiter bevorzugt ein ATR-Kristall, insbesondere wobei das Probenmaterial 5 eine Grenzfläche mit dem Reflexionselement 9 ausbildet; - eine Fixierungseinheit 19 zum Fixieren des Probenmaterials 5 auf dem Reflexionselement 9; - ein oder mehrere Spiegel 6, insbesondere zum Umlenken des Lichts; - zumindest einen optischen Sumpf 18.So it is, as in 5c shown possible if the device 1 one of the following units comprises: a light source 2 , especially for irradiating light onto the sample material 5 by a reflective element 9 such that the light is formed at an interface from the sample material 5 and the reflective element 9 is reflected, especially totally, is reflected; - a reflective element 9 , preferably an ATR element, more preferably an ATR crystal, in particular wherein the sample material 5 an interface with the reflective element 9 trains; - a fixation unit 19th to fix the sample material 5 on the reflective element 9 ; - one or more mirrors 6th , especially for deflecting the light; - at least an optical swamp 18th .

Weiter ist es zweckmäßig, wenn die Vorrichtung 1 weiter eine der folgenden Einrichtungen umfasst: - einen oder mehrere Lichtwellenleiter, bevorzugt ein oder mehrere Fasern, weiter bevorzugt ein oder mehrere Glasfasern, insbesondere zum bereichsweise führen des auf das Probenmaterial 5 eingestrahlten Lichts und/oder des von dem Probenmaterial 5 reflektierten Lichts 3r; - einen oder mehrere Wellenlängenselektoren, bevorzugt einen oder mehrere Monochromatoren, insbesondere zur spektralen Isolierung einer vorbestimmten Wellenlänge, vorzugsweise des auf das Probenmaterial 5 eingestrahlten Lichts.It is also useful if the device 1 further comprises one of the following devices: one or more optical waveguides, preferably one or more fibers, more preferably one or more glass fibers, in particular for guiding the area-wise onto the sample material 5 irradiated light and / or from the sample material 5 reflected light 3r ; - One or more wavelength selectors, preferably one or more monochromators, in particular for the spectral isolation of a predetermined wavelength, preferably that of the sample material 5 irradiated light.

6 und 7 zeigen schematisch Verfahrensschritte zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials. 6th and 7th schematically show method steps for determining optical properties of a sample material.

6 zeigt schematisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 umfassend die Verfahrensschritte 101, 102 und 103 zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials. Bevorzugt handelt es sich dem in 6 durchgeführten Verfahren 100 um ein Spektroskopieverfahren, weiter bevorzugt um ein ATR-Infrarotspektroskopieverfahren. Weiter es auch möglich, dass das Verfahren ein HATR- Infrarotspektroskopieverfahren, ein FEWS-Infrarotspektroskopieverfahren und/oder ein FTIR-Infrarotspektroskopieverfahren, ist. 6th schematically shows a flow diagram of a method 100 comprehensive the process steps 101 , 102 and 103 for determining the optical properties of a sample material. It is preferably the in 6th procedures carried out 100 a spectroscopic method, more preferably an ATR infrared spectroscopic method. Furthermore, it is also possible that the method is a HATR infrared spectroscopy method, a FEWS infrared spectroscopy method and / or an FTIR infrared spectroscopy method.

In dem Schritt 101 erfolgt das Bestimmen einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial reflektiertem Licht eines ersten Polarisationszustands. In dem Schritt 102 erfolgt das Bestimmen einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts eines zweiten Polarisationszustands. In dem Schritt 103 erfolgt die Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt.In the step 101 a first intensity of the sample material is determined reflected light of a first polarization state. In the step 102 a second intensity of the light of a second polarization state reflected by the sample material is determined. In the step 103 the ratio of the first intensity and the second intensity is formed or vice versa.

Weiter ist es von Vorteil, wenn der Schritt 103 nach den Schritten 101 und 102 durchgeführt wird.It is also advantageous if the step 103 after the steps 101 and 102 is carried out.

Bezüglich weiterer möglicher Ausgestaltungen des in 6 gezeigten Verfahrens 100 ist hier auf obige Ausführungen, insbesondere welche auch im Zusammenhang mit der oben erläuterten Vorrichtung dargelegt wurden, verwiesen.With regard to further possible configurations of the in 6th procedure shown 100 reference is made here to the above statements, in particular which were also presented in connection with the device explained above.

7 zeigt schematisch ein Flussdiagramm umfassend die Verfahrensschritte 101, 102, 103, 104, 105 und 106 zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials. Die Schritte 104, 105 und 106 sind optional und daher gestrichelt dargestellt. 7th shows schematically a flow chart comprising the method steps 101 , 102 , 103 , 104 , 105 and 106 for determining the optical properties of a sample material. The steps 104 , 105 and 106 are optional and therefore shown in dashed lines.

In dem optionalen Schritt 104 erfolgt das Einstrahlen von Licht auf das Probenmaterial durch ein Reflexionselement derart, dass das Licht an der Grenzfläche gebildet aus dem Probenmaterial und dem Reflexionselement reflektiert wird, insbesondere total reflektiert wird.In the optional step 104 light is radiated onto the sample material through a reflection element in such a way that the light is reflected, in particular totally reflected, at the interface formed from the sample material and the reflection element.

In dem optionalen Schritt 105 erfolgt anschließend das Aufteilen des von dem Probenmaterial reflektierten Lichts in den ersten Polarisationszustand und den zweiten Polarisationszustand, bevorzugt mittels zumindest eines Polarisators, weiter bevorzugt mittels eines ersten Polarisators und eines zweiten Polarisators.In the optional step 105 the light reflected by the sample material is then divided into the first polarization state and the second polarization state, preferably by means of at least one polarizer, more preferably by means of a first polarizer and a second polarizer.

Die Schritte 101, 102 und 103 entsprechen den in 6 gezeigten Schritten, so dass diesbezüglich auf obige Ausführungen verwiesen ist.The steps 101 , 102 and 103 correspond to the in 6th steps shown, so that reference is made to the above statements in this regard.

Es ist von Vorteil, wenn in dem Schritt 103 aufgrund der Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt die Auswirkungen des Intensitätsrauschens der Lichtquelle verringert, bevorzugt eliminiert, werden.It is beneficial if in the step 103 the effects of the intensity noise of the light source are reduced, preferably eliminated, due to the formation of the ratio between the first intensity and the second intensity or vice versa.

In dem optionalen Schritt 106 können anschließend weitere Verfahrensschritte zur weiteren Rauschunterdrückung, wie beispielsweise eine Synchrondetektion, erfolgen.In the optional step 106 Further method steps for further noise suppression, such as synchronous detection, can then take place.

Ferner ist es möglich, das oben beschriebene Verfahren 100 und/oder die oben beschriebene Vorrichtung 1 für die Spektralanalyse, insbesondere des Probenmaterials, anzuwenden. Bevorzugt basiert die Spektralanalyse, insbesondere des Probenmaterials, wie oben dargelegt, auf der Totalreflexion, vorzugsweise der frustrierten Totalreflexion.It is also possible to use the method described above 100 and / or the device described above 1 for the spectral analysis, especially of the sample material. The spectral analysis, in particular of the sample material, is preferably based, as set out above, on total reflection, preferably frustrated total reflection.

So ist es auch möglich, dass das oben beschriebene Verfahren 100 und/oder die oben beschriebene Vorrichtung 1 zur bzw. für die Unterdrückung des Intensitätsrauschens von Lichtquellen, insbesondere bei der Spektralanalyse, verwendet wird.So it is also possible that the method described above 100 and / or the device described above 1 is used for or for the suppression of the intensity noise from light sources, in particular in spectral analysis.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungcontraption
22
LichtquelleLight source
33
Licht, LichtstrahlLight, ray of light
3e3e
eingestrahltes Lichtirradiated light
3r3r
reflektiertes Lichtreflected light
44th
StrahlenteilerBeam splitter
55
ProbenmaterialSample material
66th
(Umlenk-)Spiegel(Deflection) mirror
77th
variables Dämpfungsgliedvariable attenuator
8, 8a, 8b8, 8a, 8b
Detektoreinrichtung(en)Detector device (s)
99
ReflexionselementReflective element
10, 10a, 10b10, 10a, 10b
Polarisator(en)Polarizer (s)
1111
RecheneinheitArithmetic unit
12a, 12b12a, 12b
Ausschnitt(e)Cutout (s)
1313
GrenzflächeInterface
14a, 14b, 14c14a, 14b, 14c
Diagrammachse(n)Diagram axis (s)
15a, 15b15a, 15b
Diagrammkurve(n)Diagram curve (s)
1616
kritischer Winkelcritical angle
17a, 17b17a, 17b
Diagrammkurve(n)Diagram curve (s)
1818th
optischer Sumpfoptical sump
1919th
FixierungseinheitFixation unit
100100
VerfahrenProcedure
101, 102, 103, 104, 105, 106101, 102, 103, 104, 105, 106
VerfahrensschritteProcedural steps
10001000
MessaufbauMeasurement setup

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 7920264 B1 [0003]US 7920264 B1 [0003]

Claims (15)

Verfahren (100), bevorzugt Spektroskopieverfahren, weiter bevorzugt ATR-Infrarotspektroskopieverfahren, zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials (5), umfassend folgende Schritte: a) Bestimmen (101) einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial (5) reflektiertem Licht (3r) eines ersten Polarisationszustands; b) Bestimmen (102) einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) eines zweiten Polarisationszustands (102); c) Verhältnisbildung (103) der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt.Method (100), preferably spectroscopy method, more preferably ATR infrared spectroscopy method, for determining optical properties of a sample material (5), comprising the following steps: a) determining (101) a first intensity of light (3r) reflected from the sample material (5) and having a first polarization state; b) determining (102) a second intensity of the light (3r) reflected by the sample material (5) in a second polarization state (102); c) formation of the ratio (103) of the first intensity and the second intensity or vice versa. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) weiter folgenden Schritt umfasst, insbesondere welcher vor den Schritten a) und b) durchgeführt wird: - Aufteilen (105) des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) in den ersten Polarisationszustand und den zweiten Polarisationszustand, bevorzugt mittels zumindest eines Polarisators (10, 10a, 10b), weiter bevorzugt mittels eines ersten Polarisators (10a) und eines zweiten Polarisators (10b).Method (100) according to Claim 1 , characterized in that the method (100) further comprises the following step, in particular which is carried out before steps a) and b): splitting (105) the light (3r) reflected by the sample material (5) into the first polarization state and the second polarization state, preferably by means of at least one polarizer (10, 10a, 10b), more preferably by means of a first polarizer (10a) and a second polarizer (10b). Verfahren (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Polarisator (10, 10a, 10b), insbesondere der erste Polarisator (10a) und der zweite Polarisator (10b), ausgewählt ist aus der Gruppe: Polarisator basierend auf Doppelbrechung, bevorzugt Polarisationsprisma, weiter bevorzugt Nicolsches Prisma, Rochon-Prisma, Glan-Thomson-Prisma, Polarisator basierend auf Dichroismus, bevorzugt J-Folie und/oder H-Folie, und/oder Polarisator basierend auf Reflexion, bevorzugt Brewster-Fenster.Method (100) according to Claim 2 , characterized in that the at least one polarizer (10, 10a, 10b), in particular the first polarizer (10a) and the second polarizer (10b), is selected from the group: polarizer based on birefringence, preferably polarizing prism, more preferably Nicol's prism , Rochon prism, Glan-Thomson prism, polarizer based on dichroism, preferably J-foil and / or H-foil, and / or polarizer based on reflection, preferably Brewster window. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und zweite Polarisationszustand unterscheiden, insbesondere dass der erste und der zweite Polarisationszustand linear polarisierte Zustände mit zueinander senkrechter Schwingungsebene sind, wobei vorzugsweise der erste Polarisationszustand parallel polarisiertes Licht und der zweite Polarisationszustand senkrecht polarisiertes Licht ist.The method (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first and second polarization state differ, in particular that the first and the second polarization state are linearly polarized states with mutually perpendicular oscillation planes, wherein preferably the first polarization state parallel polarized light and the second Polarization state is perpendicularly polarized light. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) weiter folgenden Schritt aufweist, insbesondere welcher vor den Schritten a) und b) durchgeführt wird: - Einstrahlen (104) von Licht (3e) auf das Probenmaterial (5) durch ein Reflexionselement (9) derart, dass das Licht (3e) an der Grenzfläche (13) gebildet aus dem Probenmaterial (5) und dem Reflexionselement (9) reflektiert wird, insbesondere total reflektiert wird.The method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the method (100) further has the following step, in particular which is carried out before steps a) and b): - irradiating (104) light (3e) onto the sample material (5) by a reflection element (9) in such a way that the light (3e) formed from the sample material (5) and the reflection element (9) is reflected, in particular totally reflected, at the interface (13). Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (9) ein ATR-Element, insbesondere ein ATR-Kristall, ist.Method (100) according to Claim 5 , characterized in that the reflection element (9) is an ATR element, in particular an ATR crystal. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das auf das Probenmaterial (5) eingestrahlte Licht (3e) unpolarisiertes Licht ist, bevorzugt dass das auf das Probenmaterial (5) eingestrahlte Licht (3e) eine Polarisation unter 45° zur Einfallsebene aufweist.Method (100) according to one of the Claims 5 or 6th , characterized in that the light (3e) irradiated onto the sample material (5) is unpolarized light, preferably that the light (3e) irradiated onto the sample material (5) has a polarization of less than 45 ° to the plane of incidence. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das auf das Probenmaterial (5) eingestrahlte Licht (3e) Licht aus dem infraroten Wellenlängenbereich, bevorzugt aus dem nahen und/oder dem mittleren und/oder dem fernen Infrarotbereich, weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1000 µm, noch weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 2,5 µm und 25 µm, ferner noch weiter bevorzugt Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 8 µm und 12 µm, ist.Method (100) according to one of the Claims 5 to 7th , characterized in that the light (3e) irradiated onto the sample material (5) is light from the infrared wavelength range, preferably from the near and / or the middle and / or the far infrared range, more preferably light from the wavelength range between 0.8 µm and 1000 µm, even more preferably light from the wavelength range between 2.5 µm and 25 µm, further still more preferably light from the wavelength range between 8 µm and 12 µm. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das auf das Probenmaterial (5) eingestrahlte Licht (3e) von einer Lichtquelle (2) abgestrahlt wird, insbesondere wobei die Lichtquelle (2) ausgewählt ist aus der Gruppe: Laser, bevorzugt Halbleiterlaser, weiter bevorzugt Quantenkaskadenlaser (QCL), und/oder thermische Strahler, bevorzugt Glühlampe, Nernstlampe, Widerstands-Heizelemente aus Siliziumcarbid oder Kohlenbogenlampe.Method (100) according to one of the Claims 5 to 8th , characterized in that the light (3e) irradiated onto the sample material (5) is emitted by a light source (2), in particular wherein the light source (2) is selected from the group: laser, preferably semiconductor laser, more preferably quantum cascade laser (QCL) , and / or thermal radiators, preferably incandescent lamps, Nernst lamps, resistance heating elements made of silicon carbide or carbon arc lamps. Verfahren (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt c) (103) aufgrund der Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt die Auswirkungen des Intensitätsrauschens der Lichtquelle (2), insbesondere auf das Messergebnis, verringert werden, bevorzugt eliminiert werden.Method (100) according to Claim 9 , characterized in that in step c) (103) due to the formation of the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa, the effects of the intensity noise of the light source (2), in particular on the measurement result, are reduced, preferably eliminated. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtpfade in Schritt a) (101) und b) (102), insbesondere für das von dem Probenmaterial (5) reflektierte Licht (3r) des ersten und des zweiten Polarisationszustands, im Wesentlichen identisch sind.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the light paths in step a) (101) and b) (102), in particular for the light (3r) of the first and second polarization states reflected from the sample material (5) , are essentially identical. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) (101) und b) (102) simultan erfolgen, insbesondere dass die Intensität des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) des ersten und der zweiten Polarisationszustands simultan bestimmt werden.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that steps a) (101) and b) (102) take place simultaneously, in particular that the intensity of the light (3r) reflected from the sample material (5) of the first and the second polarization state can be determined simultaneously. Vorrichtung (1), bevorzugt Spektrometer, weiter bevorzugt ATR-Infrarotspektrometer, zur Bestimmung optischer Eigenschaften eines Probenmaterials (5) umfassend: - zumindest eine Detektoreinrichtung (8, 8a, 8b) zur Bestimmung einer ersten Intensität von von dem Probenmaterial (5) reflektiertem Licht (3r) eines ersten Polarisationszustands und zur Bestimmung einer zweiten Intensität des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) eines zweiten Polarisationszustands; - zumindest eine Recheneinheit (11) zur Verhältnisbildung der ersten Intensität und der zweiten Intensität oder umgekehrt.Device (1), preferably a spectrometer, more preferably an ATR infrared spectrometer, for Determination of optical properties of a sample material (5) comprising: - at least one detector device (8, 8a, 8b) for determining a first intensity of light (3r) reflected by the sample material (5) in a first polarization state and for determining a second intensity of the Sample material (5) reflected light (3r) of a second polarization state; - At least one computing unit (11) for forming the ratio of the first intensity and the second intensity or vice versa. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine erste Detektoreinrichtung (8a) zur Bestimmung der ersten Intensität des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) des ersten Polarisationszustands und eine zweite Detektoreinrichtung (8b) zur Bestimmung der zweiten Intensität des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) des zweiten Polarisationszustands aufweist.Device (1) according to Claim 13 , characterized in that the device has a first detector device (8a) for determining the first intensity of the light (3r) of the first polarization state reflected by the sample material (5) and a second detector device (8b) for determining the second intensity of the light (3r) from the sample material ( 5) has reflected light (3r) of the second polarization state. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) weiter zumindest einen Polarisator (10, 10a, 10b) aufweist, insbesondere zum Aufteilen des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts in den ersten Polarisationszustand und den zweiten Polarisationszustand, insbesondere dass die Vorrichtung (1) einen ersten Polarisator (10a) zum Aufteilen des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) in den ersten Polarisationszustand und einen zweiten Polarisator (10b) zum Aufteilen des von dem Probenmaterial (5) reflektierten Lichts (3r) in den zweiten Polarisationszustand aufweist.Device (1) according to one of the Claims 13 or 14th , characterized in that the device (1) further has at least one polarizer (10, 10a, 10b), in particular for splitting the light reflected from the sample material (5) into the first polarization state and the second polarization state, in particular that the device (1 ) a first polarizer (10a) for dividing the light (3r) reflected from the sample material (5) into the first polarization state and a second polarizer (10b) for dividing the light (3r) reflected from the sample material (5) into the second polarization state having.
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